WAAM技術本質上是一個熔化焊絲連續(xù)堆焊的過程，鋁合金是一種高熱導率和高熱膨脹系數(shù)的合金，由非平衡凝固行為和殘余應力導致的變形和不均勻收縮、氣孔熱裂紋、力學性能低等問題嚴重限制了鋁合金WAAM技術的工程應用。針對鋁合金在快速凝固、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)對微觀組織生長和缺陷生成機制，控制成形過程熱應力和變形，采用合理的強化機制調控力學性能是WAAM成形過程的關鍵。

1）原材料質量問題

鋁合金絲材的化學成分和表面質量共同決定了材料的熱物性和力學性能，只有使用高質量絲材和特定的WAAM工藝，才能有效控制氣孔的形成，同時保證力學性能。傳統(tǒng)的GMAW工藝熱輸入過大，導致成形飛濺大，堆積層缺陷多，微觀組織不均勻。金屬絲作為原材料，如果其內外質量存在問題，成形部件會產(chǎn)生大量的缺陷，因此需要制定相應的工藝規(guī)范和控制策略嚴格控制此過程。并且WAAM在循環(huán)加熱和冷卻過程中會產(chǎn)生較大的內部拉應力，絲材質量的穩(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量，絲材的直徑變化、裂紋以及刮痕直接會造成沉積材料的氣孔缺陷，WAAM過程對絲材的質量及穩(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以及焊道駝峰的形成，實現(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驗驗證的基礎上，考慮金屬流動性、潤濕性、粘度和表面張力等材料特性的影響，結合成形結構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范圍，通過控制保護氣體流量或適合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性，對提高WAAM工藝的幾何尺寸精度有十分重要的意義。

3）氣孔、熱裂紋和殘余應力問題

針對高強鋁合金采用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、再結晶、晶粒長大的過程。當熔池局部區(qū)域的溫度超過合金固溶體溫度時，可能發(fā)生局部凝固裂紋。由于復雜的熱作用及熱循環(huán)的影響，導致成形過程中形成不同的相和組織，進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部氣孔和熱裂紋問題，揭示工藝參數(shù)對該缺陷的影響機制，闡明內部缺陷的形成機理，特別是針對氣孔敏感度高的CMT工藝，需要進一步深入研究金屬液滴過渡過程中的熔池冶金動力學行為、液滴過渡機制及其傳熱傳質特性。針對鋁合金為實現(xiàn)中大型結構件的成形，分析、統(tǒng)計和計算研究構件和基板上的殘余應力分布十分關鍵。在逐層堆積過程中金屬將在各層累積大量的熱量，在構件和基板上產(chǎn)生較大的熱應力。為了使成形部件中的殘余應力最小化，目前諸多學者通過計算機輔助模擬來了解殘余應力分布并相應地生成最佳路徑和成形策略，但針對復雜結構的應力控制策略研究甚少。為了控制成形過程中的殘余應力和變形，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、保護氣流量等工藝參數(shù)對變形和殘余應力的影響規(guī)律。

4）組織和力學性能問題

鋁合金WAAM成形時由于冷速快、熱應力大等原因，往往容易出現(xiàn)沉積缺陷，在成形交叉結構或多層多道復雜結構時，與鑄件不同，WAAM成形的構件內部殘余應力大，如果熱處理方式不當，殘余應力未完全消除，會導致固溶、淬火過程中構件內部產(chǎn)生熱裂紋。因此，特別是針對大型結構件需要研究制定適用于WAAM成形構件的熱處理方式。目前，WAAM工藝成形的高強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，無法直接應用于工業(yè)生產(chǎn)。如何通過機械強化和建立合理的熱處理強化制度，確定快速凝固條件下鋁合金組織演化與力學性能的關系，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。