采用线激光增材制造（WLAM）技术制造的不锈钢唇缘角钢的截面抗压性能

《Journal of Building Engineering》：Cross-sectional compressive capacity of stainless steel lipped angle sections fabricated by wire-laser additive manufacturing (WLAM)

增材制造技术（WLAM）制备的不锈钢带肋L形截面柱压缩性能研究，通过16组压缩试验和规范对比分析，发现带肋结构显著提升承载力，尤其适用于细长截面，但现有欧洲和美标规范设计精度不足，连续强度法更具适用性。

　　

陈曦 | 孙尧

中国湖南大学土木工程学院桥梁安全与韧性国家重点实验室，长沙 410092

摘要

增材制造，通常称为3D打印，正越来越多地应用于结构工程领域。本文采用一种新兴的3D打印技术——线激光增材制造（WLAM）来研究不锈钢带唇角钢截面的抗压性能，并对其进行了测试和设计分析。首先进行了测试程序，包括对16个WLAM不锈钢带唇角钢截面短柱的固定端压缩试验。测试结果经过仔细讨论，并与WLAM无唇角钢截面进行了全面比较。研究发现，唇部显著提高了不锈钢角钢截面的承载能力，且这种强化效果在截面较细的情况下更为明显。在测试程序之后，进行了深入的设计分析，以评估欧洲和美国标准的适用性以及连续强度方法（Continuous Strength Method）的适用性。结果表明，现有的国际标准无法安全且适当地应用于WLAM不锈钢带唇角钢截面的压缩情况，存在较高的设计不确定性。相比之下，连续强度方法在设计精度上优于所考虑的欧洲和美国标准。

引言

近年来，建筑行业越来越依赖创新和自动化来提高生产效率和促进可持续发展。其中最有前景的进展之一是增材制造（AM），通常称为3D打印，它正在成为建筑过程中的变革性方法[1]、[2]、[3]。增材制造最初被航空航天[4]、汽车[5]和生物医学[6]工程等领域采用，显示出卓越的适应性和效率。最近，其应用扩展到了结构工程[7]领域，在那里它比传统制造技术具有明显的优势，包括更大的设计自由度、更低的材料消耗和更低的运营成本。此外，增材制造能够制造出结构性能更优的复杂形状，而这些形状往往难以或成本高昂地通过传统制造技术实现。

增材制造在涉及不锈钢的结构应用中具有显著优势——不锈钢是一种以其优异的机械性能和固有的耐腐蚀性而闻名的建筑材料，但其成本相对较高[8]、[9]。通过其出色的设计适应性，增材制造可以制造出优化材料使用的结构部件，从而减少浪费并降低总体生产成本。这一能力不仅缓解了传统上与结构用不锈钢相关的经济限制，还促进了其在建筑实践中的更广泛集成，支持了建筑行业的持续发展。增材制造在建筑领域的一个显著里程碑是建造了世界上第一座3D打印的不锈钢桥梁[10]——见图1，该桥梁采用了线弧增材制造（WAAM）技术。WAAM利用电弧作为热源，逐步熔化并沉积金属丝材料，通过逐层建造过程形成复杂的结构几何形状。此后，许多研究项目致力于了解WAAM制造的不锈钢部件的结构行为。实验研究涵盖了材料性能[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、截面行为[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、构件稳定性[23]、[24]、[25]以及连接性能[26]、[27]、[28]、[29]等方面。这些实验研究还评估了现有的不锈钢设计规则是否适用于WAAM部件。尽管有这些研究努力，但仍有一些技术挑战阻碍了WAAM在不锈钢结构中的广泛应用。主要问题包括机械性能的变异性、不可预测的结构响应和不希望出现的几何缺陷（例如变形、隆起和表面粗糙度——见图2）。

为了解决WAAM的固有局限性，一种更先进的3D打印方法——线激光增材制造（WLAM）应运而生。如图3所示，WLAM使用高功率激光束作为热源，钢丝作为材料。虽然WAAM和WLAM都依赖于通过熔化金属丝实现逐层沉积的原理，但WLAM的特点是能量密度显著更高，熔池尺寸更小[30]、[31]、[32]。这些特性使得WLAM的冷却速度更快，表面光洁度大大提高——见图4。此外，WLAM还展示了产生精细微观结构的能力，从而增强了关键机械性能[33]，例如抗疲劳性。其高精度和材料效率使其特别适合制造需要复杂几何形状和优异性能的部件。然而，与WAAM相比，WLAM的沉积速率较低，且单位能量需求较高。由于WLAM的熔池较小，其沉积速率通常为0.3–2 kg/h，而基于电弧的系统可以达到3–10 kg/h。增材制造在建筑领域的一个新兴应用是混合建造概念，即将传统方法用于主要结构元素，并结合增材制造进行局部增强[7]。WLAM技术具有优异的表面光洁度和减少的热影响区，特别适合制造混合部件，在这些部件中，高尺寸精度和与传统制造部件的接口处最小的热变形至关重要。尽管有这些技术进步，但目前文献中仍很少探讨WLAM不锈钢部件的结构性能和承载能力。因此，本研究旨在通过研究WLAM不锈钢部件的结构行为来填补这一空白，为其在工程实践中的未来应用奠定基础。

为了深入了解利用新兴WLAM技术3D打印的薄壁不锈钢部件的结构性能，湖南大学正在进行一个系统的研究项目。作为该项目的一部分，本研究调查了WLAM不锈钢带唇角钢截面的抗压性能。这项研究与作者最新的关于WLAM无唇（普通）角钢截面抗压行为的研究[34]是并行的，后者也是更广泛研究项目的重要组成部分。由于带唇角钢截面具有更好的抗屈曲性能以及连接和组装的简便性，它们在轻型框架系统和模块化建筑中越来越受到应用[35]。然而，传统制造方法由于工具限制而限制了几何形状的设计[36]。相比之下，WLAM可以在不需要专用工具的情况下制造出几何形状复杂、材料利用率高且适用于特定应用的带唇角钢截面。本文首先详细描述了用于制造WLAM不锈钢带唇角钢截面短柱试件的制造工艺，然后介绍了包含16次压缩试验的测试程序。测试程序还包括几何测量。接下来，本文评估了现有设计标准EN 1993-1-4 (EC3) [37]、ANSI/AISC 370-21 [38]和连续强度方法（CSM）[39]在WLAM不锈钢带唇角钢截面压缩设计中的适用性。设计分析提供了关于将这些先进3D打印技术制造的不锈钢部件应用于当前设计方法的有效性的见解，并基于比较评估得出了结论。

测试样品的制造

测试样品的制造

为了进行结构测试，制造了多个不锈钢带唇角钢截面。WLAM过程使用Laser-One 3D打印机完成（见图5），该打印机采用六束涡流激光作为电源，使用直径为1.2毫米的316L奥氏体不锈钢丝作为沉积材料。带唇角钢截面采用垂直于纵向轴的层沉积方向进行3D打印，包括两个不同的板材

一般信息

在完成WLAM短柱试件的制造后，进行了测试程序，以研究WLAM不锈钢带唇角钢截面在压缩下的承载能力和行为。该测试程序包括16次压缩试验和补充的几何测量，具体内容在以下小节中报告。

材料测试

作者仔细测量了所采用的WLAM不锈钢的材料性能，测量设置和

一般信息

根据测试程序获得的结果，进行了设计分析。首先描述了两个国际设计标准EN 1993-1-4 [37]和ANSI/AISC 370-21 [38]以及CSM [39]中为传统不锈钢角钢截面制定的设计规则。然后，评估了这些设计规则对WLAM不锈钢带唇角钢截面短柱的适用性。对这三种设计方法[37]、[38]进行了定量和图形评估

结论与未来工作

本文通过结构测试和设计分析系统地研究了WLAM不锈钢带唇角钢截面的截面抗压性能和行为。总共对16个通过先进WLAM技术3D打印的不锈钢带唇角钢短柱试件进行了轴向压缩，所有试件均表现出以局部变形为主的破坏模式。根据测试结果，唇部对

作者贡献声明

陈曦：撰写——原始草稿、可视化、软件、方法论、调查、正式分析、数据整理、概念化。孙尧：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源协调、项目管理、方法论、调查、资金获取、正式分析、概念化

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中央高校的基础研究基金（编号：020100-531119200260）、长沙市自然科学基金（编号：kq2402071）和湖南省自然科学基金（编号：2025JJ60293）的财政支持。