316L不锈钢电弧增材制造轨迹规划与验证

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2026.06.005

中国机械工程 ›› 2026, Vol. 37 ›› Issue (6): 1318-1324.DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2026.06.005

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316L不锈钢电弧增材制造轨迹规划与验证

李欢¹^,²(), 高振泽¹, 曾才有³, 王磊磊⁴, 李银银¹, 曾云¹

^1.长江大学机械工程学院, 荆州, 434020
^2.低碳催化与二氧化碳利用全国重点实验室(长江大学), 武汉, 430100
^3.北京航空航天大学机械工程及自动化学院, 北京, 100191
^4.南京航空航天大学材料科学与技术学院, 南京, 211106

收稿日期:2025-08-06 出版日期:2026-06-25 发布日期:2026-07-17
通讯作者: 李欢
作者简介:李欢^*（通信作者），男，1983年生，副教授、博士。研究方向为丝材电弧增材制造、机器视觉、金属超声波焊接。E-mail： lihuan@yangtzeu.edu.cn。
基金资助:
国家自然科学基金(52305331);上海航天科技创新基金(SAST2023-094);湖北省自然科学基金(2024AFB440);中石油科技创新基金(2024DQ02-0307)

Trajectory Planning and Verification for Wire Arc Additive Manufacturing of 316L Stainless Steels

LI Huan¹^,²(), GAO Zhenze¹, ZENG Caiyou³, WANG Leilei⁴, LI Yinyin¹, ZENG Yun¹

^1.School of Mechanical Engineering，Yangtze University，Jingzhou，Hubei，434020
^2.State Key Laboratory of Low Carbon Catalysis and Carbon Dioxide Utilization（Yangtze University），Wuhan，430100
^3.School of Mechanical Engineering and Automation，Beihang University，Beijing，100191
^4.School of Materials Science and Technology，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing，211106

Received:2025-08-06 Online:2026-06-25 Published:2026-07-17
Contact: LI Huan

摘要/Abstract

摘要：

选择具备多节点的典型复杂结构的316L奥氏体不锈钢汽车轮毂为对象开展电弧增材制造轨迹规划研究。首先在确定层重叠率和搭接系数的基础上，将车轮毂试件模型分解为多类薄壁及厚度的网格结构，并进行节点简化构成Euler回路；然后通过Fleury算法结合Euler回路理论得到优化的路径，同时采取复合路径填充方法规划了层间填充方式。最后通过不同层间的红外测温以及实时电弧与熔滴过渡的图像跟踪的对比验证了轨迹规划方法的合理性。结果表明，基于Fleury算法的轨迹规划所获得的316L奥氏体不锈钢电弧增材沉积件成形良好，复合填充方法下未出现局部填充不足的缺陷；规划路径中的电弧作用阶段占总过程的70.62%，有效避免了节点交叉，且熄弧次数比未规划时减少2次。层间温度历程相似，且每层的熔池过渡基本一致，说明所采用的轨迹规划方法基本合理。

关键词: 电弧增材制造, 轨迹规划, Euler回路, 复合路径填充, 熔滴过渡

Abstract:

To investigate WAAM trajectory planning， an automotive hub possessing multiple nodes was selected as a representative complex structure fabricated from 316L austenitic stainless steels. Initially， based on predetermined layer overlap ratios and overlap coefficients， the hub specimen model was decomposed into diverse grid structures characterized by thin walls and varying thicknesses； these structures were subsequently simplified at nodes to form an Euler circuit. An optimized deposition path was then derived by applying Fleury's algorithm in conjunction with Euler circuit theory， while a composite path filling strategy was implemented to plan the inter-layer filling patterns. Finally， the rationality of the trajectory planning methodology was validated through comparative analysis involving infrared thermometry across different layers and real-time imaging tracking of the arc and droplet transfer behaviors. The results demonstrate that the 316L austenitic stainless steel WAAM deposit， produced using the Fleury's algorithm-based trajectory plan， exhibits good geometric formation； furthermore， no localized filling defects occurred under the composite filling approach. Notably， the arc-active phase constitutes 70.62% of the total process duration within the planned path， effectively avoiding cross nodes， and the number of arc extinctions is reduced by two instances compared to scenarios lacking trajectory planning. The thermal histories exhibite similarity across layers， and the molten pool transition behavior remaines essentially consistent for each layer， collectively indicating the fundamental soundness of the adopted trajectory planning method.

Key words: wire arc additive manufacturing（WAAM）, trajectory planning, Euler circuit, composite path filling, droplet transfer

中图分类号:

TG444

李欢, 高振泽, 曾才有, 王磊磊, 李银银, 曾云. 316L不锈钢电弧增材制造轨迹规划与验证[J]. 中国机械工程, 2026, 37(6): 1318-1324.

LI Huan, GAO Zhenze, ZENG Caiyou, WANG Leilei, LI Yinyin, ZENG Yun. Trajectory Planning and Verification for Wire Arc Additive Manufacturing of 316L Stainless Steels[J]. China Mechanical Engineering, 2026, 37(6): 1318-1324.

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链接本文: https://www.cmemo.org.cn/CN/10.3969/j.issn.1004-132X.2026.06.005

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图/表 13

图1 增材制造系统及试样

Fig.1 WAAM system and specimens

表1 ER316L丝材化学成分（质量分数） (%)

Tab.1 Chemical composition of ER316L wire （mass fraction）

w（C）	w（Si）	w（Mn）	w（S）	w（Cu）
0.02	0.52	1.73	0.01	0.12
w（P）	w（Cr）	w（Ni）	w（Mo）	w（Fe）
0.02	18.70	11.70	2.28	余量

图2 WAAM的轨迹重叠及搭接填充示意图［12］

Fig.2 Schematic diagram of path overlap and adjacent deposition［12］

图3 车轮毂轮廓及简化模型

Fig.3 Wheel hub profile model and simplified model

图4 简化模型中构造Euler回路示意图

Fig.4 Construction Euler circuit in simplified model

图5 WAAM轨迹规划流程图

Fig.5 Flowchart for WAAM trajectory planning

图6 车轮毂特征区域填充方式规划

Fig.6 Wheel hub feature region filling method planning

图7 丝材电弧增材制造验证方法示意图

Fig.7 Schematic diagram of verification method for WAAM

图8 轨迹规划示意图

Fig.8 Trajectory planning illustration

图9 圆内嵌正五边形薄壁增材制造实物

Fig.9 Thin-walled additive manufactured part with a regular pentagon inscribed in a circle

图10 符合车轮毂特征区域的增材制造件

Fig.10 Additive manufactured component conforming to the feature regions of the wheel hub

图11 车轮毂模型增材制造温度

Fig.11 Additive temperature of simplified wheel hub model

图12 沉积层间在不同阶段熔池形貌

Fig.12 Interlayer molten pool morphology at different layers

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Trajectory Planning and Verification for Wire Arc Additive Manufacturing of 316L Stainless Steels

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