《Journal of Materials Processing Technology》：Ultrasonic assisted additive manufacturing of Al–Mg alloys: Microstructure refinement and mechanical improvement through meltable ultrasonic probe
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熔融超声探针辅助WAAM技术显著提升了Al-Mg合金的晶粒细化效果（平均晶粒尺寸从39μm降至14μm）和力学性能（垂直方向抗拉强度提升29.1%，硬度提升18.6%），通过三维数值模型揭示了脉冲弧与探针插入深度的协同作用机制。
作者：马驰、刘宇、李海涛、张萌、张茂源、刘永红、李润生
陕西科技大学机电工程学院，中国西安，710021
摘要
电弧增材制造（WAAM）是一种经济高效的铝镁合金制造技术；然而，其快速的熔化-凝固过程容易导致晶粒粗大。因此，本研究开发了一种新型的可熔化超声探头辅助WAAM（MUPA-WAAM）方法，并建立了相应的三维数值模型并进行了验证。高速摄像机图像显示，短弧段会向可熔化超声（MU）探头方向偏移，熔池表面出现了明显的毛细波现象。电弧在喷射转移和脉冲短路转移之间交替进行。振动MU探头的周期性深度变化通过双脉冲电弧作用使材料均匀化。超声能量促进了MU探头的熔化，熔化的金属使得生产效率提高了286.9%。超声处理改善了材料的微观结构和力学性能：未经超声处理的平均晶粒尺寸为39微米，经超声处理后降至14微米；平均孔隙率从未经处理的0.32%降至0.29%。材料的抗拉强度和屈服强度在垂直方向上分别提高了29.1%和6.7%，在水平方向上分别提高了8.7%和9.2%；平均显微硬度提高了18.6%。仿真结果证实，高声压主要集中在MU探头的环形区域，熔池中的空化效应是影响微观结构的关键因素。本研究阐明了脉冲电弧对超声传输机制的调节作用，以及MU探头不同状态下的声压变化规律，为改善WAAM制造组件的微观结构和力学性能提供了宝贵指导。
引言
轻质铝合金因其良好的耐腐蚀性和较高的强度重量比而被广泛用于制造航空航天结构部件[1]。采用增材制造（AM）方法生产的铝合金可以减少材料浪费和加工时间[2]。电弧增材制造（WAAM）作为一种高效的方向性能量沉积（DED）技术，由于其较低的制造成本、较高的沉积效率和材料利用率，成为制造大型结构部件的更有前景的方法[3][4]。然而，传统WAAM中凝固前沿的成核事件较少以及快速的熔化-凝固过程会导致外延生长，从而产生粗大的晶粒[5]，进而影响合金的力学性能[6]。研究表明，超声处理可以细化晶粒[7]、减少裂纹缺陷[8]并提升焊接性能[9]，因此其在WAAM过程中具有潜在的应用价值。
通过向传统电流波形中添加和调整超声频率脉冲电流，可以实现超声频率脉冲电弧，从而将超声能量传输到熔池中。王等人发现，超声频率脉冲电弧使Inconel 718合金的晶粒尺寸细化了近33%，同时提高了材料的延展性和力学强度[10]。曹等人指出，超声频率脉冲电弧能够实现AZ31镁合金的全等轴晶粒微观结构和各向同性的力学性能[11]。孔等人进一步证明，超声频率脉冲电弧细化了2024铝合金的晶粒，降低了孔隙率并提高了力学性能[12]。然而，由于电弧的可压缩性，这种方法的超声能量传输效率较低。王等人开发了一种基于超声换能器的超声波辅助气体钨极电弧焊（U-GTAW）技术，在阶梯式超声辐射器和熔池反射器之间建立了高密度声场，显著提高了304不锈钢的焊缝穿透深度[13]。陈等人改进了脉冲U-GTAW（PU-GTAW），发现其在碳钢中的应用效果更佳[14]，使Ti-6Al-4V合金的焊缝穿透深度提高了46%[15]。此外，还开发了脉冲超声波辅助气体金属弧焊（PU-GMAW）[16][17]，该技术促进了熔滴传输，在Al-Cu合金焊缝中产生了空化和声流效应，细化了晶粒并提高了焊缝穿透深度[17]。张等人观察到，PU-GMAW使铝合金的熔化面积增加了49%[18]。但由于焊缝穿透深度与超声辐射器的高度密切相关，因此难以实现恒定的焊缝穿透控制，过大的焊缝穿透可能会导致WAAM过程中重新熔化区域的扩大。
通过向沉积平台施加超声振动，也可以将超声能量传输到熔池中。杨等人使用超声振动平台制备了MB3/AZ31异质镁合金接头，发现晶粒尺寸细化至26微米，孔隙缺陷消失[19]。范等人发现，高熵合金的晶粒尺寸减少了70%，显微硬度提高了20%[20]。吉等人发现，超声振动改善了熔池的润湿性和熔融金属的扩散性能[21]。陈等人进一步证明，超声能量能够破坏柱状晶粒，促进Inconel 625合金从柱状向等轴晶粒的转变，抗拉强度提高了23.8%[22]。杨等人发现，适当的超声功率可以提高熔体的润湿性，减少析出相的含量并提升AZ31镁合金的拉伸性能[23]。然而，超声振动会使整个沉积平台、沉积层和熔池一起振动，当制造大型部件时，作用在熔池上的超声能量可能较弱。
还可以通过超声振动焊丝或探头直接将超声能量传输到熔池中。渡边等人开发了一种超声波填充丝辅助气体钨极电弧焊（GTAW）技术，仅当超声填充丝过量填充并接触熔池时，才能使柱状晶粒转化为等轴晶粒[24]。袁等人使用不可消耗的钨探头对熔池进行超声搅拌，促进了枝晶破碎和晶粒细化[25]。赵等人发现，将超声振动的钨针浸入熔池中可以细化钛合金的晶粒，提高其抗拉强度[26]。使用超声钨探头也可以细化铝合金的微观结构[27]。与超声频率脉冲电弧和超声振动平台相比，通过焊丝和不可熔化探头传输超声能量更为高效。然而，不可熔化的钨探头在熔池中可能会被凝固的熔体粘住，影响成型质量[27]。由于GTAW中熔池体积较小，超声填充丝需要保持较高的送丝速度才能与熔池接触并有效传输超声能量，且缺乏精确的控制机制[24]。
数值模拟是研究超声辅助WAAM的强大工具。范等人对超声振动平台进行了数值模拟，发现声流和空化作用促进了晶粒细化[20]。吉等人进一步证明，高强度超声振动引起了熔池中的空化效应，降低了温度梯度并促进了等轴晶粒的形成[21]。杨等人发现，超声辅助显著提高了模型中的内部流速和熔体扩散[23]。基于二维模型，柯等人发现高频脉冲电弧在熔池中产生了明显的空化效应[28]。基于三维数值模型，柯等人发现超高频率脉冲电弧在熔池中引起了显著振动[29]。目前，由于数值模型和边界条件的复杂性较低，大多数关于超声辅助WAAM的数值模拟研究集中在超声振动平台方面。然而，关于超声填充丝辅助WAAM的数值模拟研究较少。
为了解决超声填充丝控制精度不足的问题，并推进高性能铝镁合金的高效制造，本研究提出了一种新型的可熔化超声探头辅助WAAM（MUPA-WAAM）方法。通过采用双脉冲气体金属弧焊（GMAW）[30]，建立了脉冲电弧能量与可熔化超声（MU）探头插入熔池状态之间的关系。与超声填充丝辅助的GTAW[24]相比，双脉冲GMAW中的电弧能量在弱脉冲组和强脉冲组之间周期性切换，这在控制MU探头的熔化速率和插入深度方面具有显著优势。此外，为了解决通过MU探头测量熔池中声压的数值模拟难题，本研究开发并验证了一种基于多个超声周期内送丝运动简化的三维数值模型，旨在探索MU探头插入深度与声压之间的关系。本研究系统揭示了脉冲电弧、MU探头插入深度和声压之间的内在关系，为高质量铝镁合金的制造提供了工艺物理基础和实用方法。
实验过程
实验步骤
MUPA-WAAM系统包括超声振动系统、GMAW电源、焊接炬、送丝机构和运动平台，如图1a所示。GMAW电源的阳极和阴极分别连接到消耗性焊丝和工件上。超声振动系统包括超声电源、超声换能器、振幅变压器、导管、支撑管、MU探头和气缸，如图1b所示。
超声对熔池行为和金属传输的影响
图3展示了在0千瓦超声功率和7米/分钟的MU探头送丝速度下，熔池行为、电弧形状、MU探头位置和波形的情况。如图3d所示，在双脉冲GMAW过程中，强脉冲组和弱脉冲组交替且周期性出现。
结论
本研究提出了一种可熔化超声探头辅助的WAAM（MUPA-WAAM）方法，用于高效制造铝镁合金。分析了超声传输和声压的变化过程，并研究了可熔化超声（MU）探头对微观结构和力学性能的调控作用。主要结论如下：
作者贡献声明
李海涛：方法论、资金获取、数据分析。
刘宇：软件开发、方法论设计。
马驰：初稿撰写、方法论设计、资金获取、概念构思。
李润生：文章修订与编辑、项目管理、资金获取。
刘永红：数据可视化、资源协调。
张茂源：结果验证、实验研究。
张萌：方法论设计、资金获取。
致谢
作者感谢陕西省自然科学基础研究计划（项目编号2025JC-YBQN-487和2025JC-YBMS-603）、西安市科学技术青年人才支持计划（资助编号0959202513061）、深港澳科技创新计划（C类项目）（资助编号SGCX20250526143509012）以及陕西省教育厅的地方服务专项项目（产业化培育项目）（24JC007）的支持。
