WAAM技術(shù)本質(zhì)上是一個(gè)熔化焊絲連續(xù)堆焊的過程，鋁合金是一種高熱導(dǎo)率和高熱膨脹系數(shù)的合金，由非平衡凝固行為和殘余應(yīng)力導(dǎo)致的變形和不均勻收縮、氣孔熱裂紋、力學(xué)性能低等問題嚴(yán)重限制了鋁合金WAAM技術(shù)的工程應(yīng)用。針對(duì)鋁合金在快速凝固、循環(huán)加熱和冷卻條件下的組織演化等過程，深入分析絲材熔化過程液滴的過渡和穩(wěn)定性，研究工藝參數(shù)對(duì)微觀組織生長(zhǎng)和缺陷生成機(jī)制，控制成形過程熱應(yīng)力和變形，采用合理的強(qiáng)化機(jī)制調(diào)控力學(xué)性能是WAAM成形過程的關(guān)鍵。

1）原材料質(zhì)量問題

鋁合金絲材的化學(xué)成分和表面質(zhì)量共同決定了材料的熱物性和力學(xué)性能，只有使用高質(zhì)量絲材和特定的WAAM工藝，才能有效控制氣孔的形成，同時(shí)保證力學(xué)性能。傳統(tǒng)的GMAW工藝熱輸入過大，導(dǎo)致成形飛濺大，堆積層缺陷多，微觀組織不均勻。金屬絲作為原材料，如果其內(nèi)外質(zhì)量存在問題，成形部件會(huì)產(chǎn)生大量的缺陷，因此需要制定相應(yīng)的工藝規(guī)范和控制策略嚴(yán)格控制此過程。并且WAAM在循環(huán)加熱和冷卻過程中會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)部拉應(yīng)力，絲材質(zhì)量的穩(wěn)定性、沉積參數(shù)等直接影響沉積速率、熔池中的熱傳輸以及沉積質(zhì)量，絲材的直徑變化、裂紋以及刮痕直接會(huì)造成沉積材料的氣孔缺陷，WAAM過程對(duì)絲材的質(zhì)量及穩(wěn)定性的要求更高于普通焊絲材料。

2）幾何精度問題

WAAM工藝過程參數(shù)對(duì)于理解和控制逐層沉積方式中的金屬熔化和凝固過程十分重要。逐層堆焊過程在焊道開始、結(jié)束以及重疊區(qū)域極易出現(xiàn)裂紋和氣孔等缺陷。如何通過調(diào)控工藝參數(shù)，控制焊道起始處的熱量，降低液態(tài)金屬不受控制的流動(dòng)以及焊道駝峰的形成，實(shí)現(xiàn)堆積層的幾何尺寸控制，目前尚無有效解決的方法。由于金屬熔化后流動(dòng)性差，逐層堆焊過程在焊道首末尾處容易出現(xiàn)塌陷，如何準(zhǔn)確定義鋁合金相鄰焊道之間的搭接距離，需在充分的理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，考慮金屬流動(dòng)性、潤濕性、粘度和表面張力等材料特性的影響，結(jié)合成形結(jié)構(gòu)件的完整性建立最佳搭接模型。為了避免因工藝參數(shù)不穩(wěn)產(chǎn)生的駝峰影響生產(chǎn)效率，需要確定焊槍的移動(dòng)范圍，通過控制保護(hù)氣體流量或適合WAAM工藝的特定焊槍角度，從而減少或消除液態(tài)金屬的流動(dòng)特性，或采用精確控制層間溫度等方式，研究表面張力、揮發(fā)性元素的影響、功率密度與分布、搭接成形等因素與駝峰之間的相關(guān)性，對(duì)提高WAAM工藝的幾何尺寸精度有十分重要的意義。

3）氣孔、熱裂紋和殘余應(yīng)力問題

針對(duì)高強(qiáng)鋁合金采用WAAM工藝，金屬熔滴過渡過程中電弧弧柱溫度高、熔滴比表面積大，更容易吸氫，產(chǎn)生大量氣孔。成形過程中隨著共晶濃度增加，裂紋敏感度增加，鋁合金極易產(chǎn)生凝固裂紋，熱影響區(qū)溫度提升，使得熱影響區(qū)經(jīng)歷回復(fù)、再結(jié)晶、晶粒長(zhǎng)大的過程。當(dāng)熔池局部區(qū)域的溫度超過合金固溶體溫度時(shí)，可能發(fā)生局部凝固裂紋。由于復(fù)雜的熱作用及熱循環(huán)的影響，導(dǎo)致成形過程中形成不同的相和組織，進(jìn)而形成非均勻的材料特性。如何有效減少或消除鋁合金成形過程中的內(nèi)部氣孔和熱裂紋問題，揭示工藝參數(shù)對(duì)該缺陷的影響機(jī)制，闡明內(nèi)部缺陷的形成機(jī)理，特別是針對(duì)氣孔敏感度高的CMT工藝，需要進(jìn)一步深入研究金屬液滴過渡過程中的熔池冶金動(dòng)力學(xué)行為、液滴過渡機(jī)制及其傳熱傳質(zhì)特性。針對(duì)鋁合金為實(shí)現(xiàn)中大型結(jié)構(gòu)件的成形，分析、統(tǒng)計(jì)和計(jì)算研究構(gòu)件和基板上的殘余應(yīng)力分布十分關(guān)鍵。在逐層堆積過程中金屬將在各層累積大量的熱量，在構(gòu)件和基板上產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。為了使成形部件中的殘余應(yīng)力最小化，目前諸多學(xué)者通過計(jì)算機(jī)輔助模擬來了解殘余應(yīng)力分布并相應(yīng)地生成最佳路徑和成形策略，但針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)力控制策略研究甚少。為了控制成形過程中的殘余應(yīng)力和變形，需深入分析WAAM工藝材料特性、焊接電流、焊接電壓、送絲速度、環(huán)境溫度、保護(hù)氣流量等工藝參數(shù)對(duì)變形和殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。

4）組織和力學(xué)性能問題

鋁合金WAAM成形時(shí)由于冷速快、熱應(yīng)力大等原因，往往容易出現(xiàn)沉積缺陷，在成形交叉結(jié)構(gòu)或多層多道復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)，與鑄件不同，WAAM成形的構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力大，如果熱處理方式不當(dāng)，殘余應(yīng)力未完全消除，會(huì)導(dǎo)致固溶、淬火過程中構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生熱裂紋。因此，特別是針對(duì)大型結(jié)構(gòu)件需要研究制定適用于WAAM成形構(gòu)件的熱處理方式。目前，WAAM工藝成形的高強(qiáng)鋁合金在高溫電弧的作用下，金屬凝固后存在偏析、組織不均勻和枝晶較多等問題，無法直接應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。如何通過機(jī)械強(qiáng)化和建立合理的熱處理強(qiáng)化制度，確定快速凝固條件下鋁合金組織演化與力學(xué)性能的關(guān)系，提升WAAM工藝成形鋁合金的性能穩(wěn)定性是亟待解決的問題。