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作者及发表信息
本研究由Jiacheng Huang、Fang Li、Chen Shen、Yuelong Zhang和Xueming Hua（均来自上海交通大学材料科学与工程学院、上海市材料激光加工与改性重点实验室）共同完成，发表于The International Journal of Advanced Manufacturing Technology（2024年1月23日在线发表，卷130，页码5285–5298）。
学术背景
研究领域：金属增材制造（Additive Manufacturing, AM），具体方向为电弧定向能量沉积（Directed Energy Deposition-arc, DED-arc）工艺的成形精度控制。
研究动机：
镍铝青铜合金（Nickel Aluminum Bronze, NAB）因其优异的耐腐蚀性和机械性能，广泛应用于船舶领域（如螺旋桨、法兰等），但其材料成本高昂，成形精度不足会导致后期加工浪费。DED-arc工艺虽能以低成本快速制造大型零件，但在尖锐拐角路径（corner path）处易因材料堆积产生高度误差（height deviation），影响成形质量。
研究目标：
提出一种角度驱动参数控制模型（Angle-driven Parameter Control Model, APCM），通过动态调整焊接速度（travel speed），减少NAB合金在DED-arc工艺中拐角路径的高度误差。
研究流程与方法
1. 模型建立
- 假设条件：
- 熔敷金属体积守恒（恒定截面面积）；
- 单道焊缝截面呈对称抛物线形；
- 忽略焊缝重叠扩散效应。
- 数学模型推导：
- 将拐角路径分为完全重叠段（Entirely Overlapping Segment, EOS）和部分重叠段（Partially Overlapping Segment, POS），分别计算两段的焊接速度调整公式。
- 基于几何分析，推导EOS和POS段的金属体积平衡方程，最终得到焊接速度与拐角角度（θ）的函数关系（公式16）。
2. 实验验证
- 实验设计：
- 单道焊缝实验：测试7种拐角角度（10°、20°、30°、45°、60°、75°、90°），对比APCM控制与无控制的成形差异。
- 多层薄壁构件实验：制造含7种角度的15层“树状”结构，左侧路径无控制（对照组），右侧路径应用APCM（实验组）。
- 设备与参数：
- 使用Fanuc六轴机器人搭载CMT焊接电源（Fronius TPS500i），焊丝为直径1.2 mm的NAB合金（CuAl9Ni5Fe3Mn2）。
- 基础参数：送丝速度7.0 m/min，焊接速度8.0 mm/s（直线段），保护气体（Ar）流量15 L/min。
3. 数据分析
- 形貌测量：采用Sick 3D相机（RulerXR 100）扫描焊缝表面轮廓，通过MATLAB生成三维网格并提取截面数据。
- 误差计算：对比实际焊缝与模型预期的高度误差（公式17），统计截面面积和高度平均偏差。
主要结果
单道焊缝实验：
- APCM显著降低了小角度（θ ≤ 45°）拐角的高度误差（如10°角高度误差从21.41%降至-0.38%）。
- 大角度（θ ≥ 60°）下，无控制时误差已较小（90°角高度误差仅1.12%），APCM优化效果有限。
- 模型在拐角平分线附近存在过冲现象，实际焊缝高度仍高于预期（可能与熔池动态行为未完全建模有关）。
多层薄壁构件实验：
- 无控制时，小角度拐角高度偏差随层数累积（10°角15层后偏差达7.72 mm）；
- APCM将10°角高度偏差降至2.09 mm，且显著减缓偏差累积速率（20°角从4.06 mm降至1.31 mm）。
- 60°以上角度无需控制即可获得平整成形。
结论与价值
科学价值：
- 首次提出针对DED-arc工艺拐角路径的动态参数控制模型，填补了多角度拐角成形精度调控的理论空白。
- 揭示了焊接速度与拐角角度的非线性关系，为后续工艺优化提供数学基础。
应用价值：
- 可减少NAB合金增材制造的后处理成本（如机械加工余量降低72.9%），提升船舶高价值零件的生产效率。
- 模型兼容性强，可扩展至其他金属材料的DED-arc工艺。
研究亮点
创新性方法：
- APCM通过分段（EOS/POS）动态调整焊接速度，解决了传统固定参数法在拐角处的材料堆积问题。
- 提出基于体积守恒的几何建模方法，避免了复杂的熔池流体动力学模拟。
特殊研究对象：
- 聚焦NAB合金这一高成本海洋工程材料，针对性解决其成形精度问题。
局限性：
- 模型未考虑多层沉积的热累积效应，未来需结合在线监测技术进一步优化。
其他有价值内容
- 实验数据公开：文中详细列出了7种角度下的焊接速度优化值（表2），可供同行直接验证。
- 工艺对比：与已有研究（如Ding等人的CCM模型）相比，APCM在极锐角（θ ≤ 45°）下的优化效果更显著。