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ER5356铝合金电弧增材制造技术：工艺、性能与优化策略

一、引言

1.1研究背景与意义

铝合金作为一种轻质、高强度且具有良好耐腐蚀性的金属材料，在众多领域中发挥着至关重要的作用。在航空航天领域，铝合金被广泛应用于飞机机身、发动机部件以及航天器结构的制造。因其密度约为钢的1/3，使用铝合金能够有效减轻飞行器的重量，从而提高燃油效率和载重能力，满足航空航天对材料轻量化和高性能的严格要求。例如，在飞机制造中，铝合金的应用使得飞机的结构重量减轻，飞行性能得到显著提升，同时降低了运营成本。

在汽车制造领域，铝合金用于制造车身、发动机部件和轮毂等。随着全球对汽车燃油经济性和环保性要求的不断提高，铝合金的轻量化特性有助于降低汽车的整体重量，进而减少燃油消耗和尾气排放。铝合金良好的加工性能也使其易于制造各种复杂形状的零件，满足汽车设计的多样化需求。如一些高端汽车品牌大量采用铝合金材料，不仅提升了汽车的性能，还增强了其市场竞争力。

在船舶制造领域，铝合金同样具有重要地位。铝合金的耐腐蚀性使其能够在海洋环境中长时间使用，减轻船体结构的重量则可以提高船舶的航行速度和燃油效率，同时降低维护成本。像一些小型游艇和高速客船，广泛使用铝合金来制造船体结构和甲板等部件。

电弧增材制造技术作为一种新兴的制造技术，融合了传统焊接技术与增材制造理念，以电弧为热源，通过逐层填丝沉积的方式实现金属材料的三维堆积，从而制造出复杂形状的零件。该技术具有诸多显著优势，如材料利用率高，能够减少原材料的浪费；制造周期短，可以快速响应市场需求；设备成本相对较低，降低了企业的生产投入。并且能够制造大尺寸构件，为大型零部件的制造提供了新的解决方案。特别是在铝合金加工领域，电弧的“阴极雾化”机制能够实时、有效地清除铝合金表面的氧化膜，确保铝的有效沉积，为铝合金构件的制造提供了一种极具潜力的工艺方法。

ER5356铝合金作为一种常用的铝合金材料，属于Al-Mg系合金，具有优良的塑性和焊接性，在汽车、船舶、装备、建筑、机械等领域有着广泛的应用。在汽车制造中，可用于制造车身结构件和内饰件；在船舶制造中，可用于制造船体的某些部件，以提高船舶的性能。然而，采用传统的制造工艺来加工ER5356铝合金，在制造复杂构件时往往面临诸多挑战，如加工工序繁琐、材料浪费严重等。

将电弧增材制造技术应用于ER5356铝合金的加工，能够有效解决传统制造工艺的不足，满足航空航天、汽车、船舶等领域对复杂铝合金构件的需求。通过该技术，可以直接制造出接近最终形状的预成型件，减少后续加工工序，提高生产效率和材料利用率。研究ER5356铝合金电弧增材制造技术及工艺，对于推动铝合金材料在各领域的应用，提高相关产品的性能和质量，具有重要的理论意义和实际应用价值。

1.2国内外研究现状

近年来，电弧增材制造技术在铝合金加工领域受到了广泛关注，国内外学者针对ER5356铝合金电弧增材制造开展了多方面的研究。

在工艺参数优化方面，国内外学者进行了大量实验研究。湖北汽车工业学院的虞华森等人通过表面波纹度计算、微观组织观察、硬度和力学性能测试，研究了工艺参数对电弧增材制造5356铝合金成形质量、组织和性能的影响。结果表明，沉积电流、沉积速度、层间温度过大或过小均不利于成形。随着沉积电流从70A增大到100A，5356铝合金的晶粒尺寸和孔隙倾向逐渐增大，硬度下降。当沉积电流为85A时，Al5356的组织较为均匀，沉积层间熔合良好，综合力学性能最好。最终确定了适合沉积5356铝合金薄壁件的工艺参数为沉积电流85A、沉积速度4mm/s、层间温度100-150℃。

在组织性能研究方面，沈阳航空航天大学的杨光等人对CMT与MIG电弧增材工艺加工后的5356铝合金试样成型形貌、气孔、微观组织和力学性能进行了对比分析。结果显示，采用CMT方式增材的试样表面均匀，而MIG试样边缘出现明显塌陷；两种试样的气孔缺陷主要出现在层间熔合线附近，但MIG试样缺陷数量更多、尺寸更大；两种方式增材的试样组织存在明显区别，MIG试样的柱状晶和熔合线明显，CMT试样的组织为均匀的等轴晶，但CMT试样内部出现明显的偏析现象；MIG试样力学性能各向异性明显而CMT试样呈现出各向同性。

国外学者也对铝合金电弧增材制造展开了深入研究。部分研究关注不同焊接工艺对铝合金增材制造的影响，通过对比熔化极气体保护焊（GMAW）、非熔化极钨极气体保护焊（GTAW）和等离子弧焊（PAW）等工艺，分析其在铝合金电弧增材制造中的特点和适用性。研究发现GMAW的沉积速率较高，但稳定性较差，会产生较多焊接烟雾和飞溅；GTAW能为焊工提供较高水平的过程控制，以避免缺陷形成并保证质量；