Investigation of the effect of hot-wire, electromagnetic field (EMF), and dynamic wire feeding techniques on wire-feed laser directed energy deposition (L-DED)

Abstract

A Deposição por Energia Direcionada a Laser alimentada por arame (L-DEDw) tem se destacado como uma tecnologia promissora de manufatura aditiva metálica para a fabricação e o reparo de componentes de médio e grande porte, em função de suas elevadas taxas de deposição, alta eficiência de utilização do material e flexibilidade geométrica. Entretanto, o processo ainda enfrenta desafios relevantes relacionados à instabilidade da transferência metálica, à dinâmica da poça de fusão, à formação de respingos e à elevada sensibilidade às variações de parâmetros operacionais, especialmente quando o arame é alimentado de forma contínua e em seu estado natural. Diante desse contexto, esta tese investiga os efeitos individuais e integrados das técnicas de aquecimento indutivo do arame (hot-wire), aplicação de campo eletromagnético externo (FEM) e alimentação dinâmica do arame no processo L-DED alimentado por arame, com o objetivo de aprimorar a estabilidade da transferência metálica, o comportamento da poça de fusão e a geometria dos cordões depositados. A hipótese central é que a integração dessas técnicas permite um controle mais eficiente da transferência de massa e energia, promovendo maior estabilidade do processo, redução do aporte térmico efetivo e ampliação da janela operacional. Para isso, foi desenvolvido um conceito inédito de alimentador de arame capaz de integrar pré-aquecimento indutivo, aplicação de campo eletromagnético e alimentação dinâmica por meio de oscilações controladas de avanço e recuo do arame. Os experimentos foram realizados utilizando arame ER70S-6 com diâmetro de 1,2 mm e substrato de aço SAE 1020, mantendo parâmetros controlados de potência do laser, velocidade de varredura e velocidade média de alimentação do arame. A caracterização do processo foi conduzida por meio de filmagens de alta velocidade para análise da transferência metálica e da dinâmica da poça de fusão, bem como por análises macrográficas das seções transversais dos cordões, com avaliação de altura, largura, penetração e diluição. Os resultados demonstraram que o aquecimento indutivo do arame altera o balanço térmico do processo, reduzindo a fração de energia do laser necessária para a fusão do material de adição e favorecendo a formação de uma ponte líquida mais estável. A aplicação do campo eletromagnético contribuiu para a estabilização da poça de fusão, reduzindo a ocorrência de respingos e promovendo maior uniformidade geométrica dos cordões, em função da atuação das forças de Lorentz no metal líquido. A alimentação dinâmica do arame introduziu uma modulação temporal controlada da transferência de massa e energia, influenciando diretamente a área da poça de fusão, o ângulo de molhamento e a estabilidade do processo. A análise dessas técnicas permite uma compreensão abrangente de suas influências individuais sobre o comportamento do processo, evidenciando seu potencial como estratégias independentes para a melhoria da estabilidade e da qualidade da deposição no L-DEDw. Adicionalmente, destaca-se que o desenvolvimento do sistema experimental proposto resultou na concepção, projeto e construção de uma infraestrutura inovadora de pesquisa, capaz de integrar aquecimento indutivo, aplicação de campo eletromagnético e alimentação dinâmica do arame em um único arranjo. Essa infraestrutura amplia significativamente as possibilidades de investigação no processo L-DED alimentado por arame, viabilizando a exploração de fenômenos e estratégias de controle anteriormente não acessíveis. Conclui-se que a integração das técnicas de hot-wire, campo eletromagnético e alimentação dinâmica constitui uma abordagem eficaz para o controle avançado do processo L-DED alimentado por arame, apresentando elevado potencial para aplicações industriais em manufatura aditiva metálica e revestimentos a laser.

Abstract: Wire-fed Laser Directed Energy Deposition (W-LDED) has emerged as a promising metal additive manufacturing technology for the fabrication and repair of medium- and large-scale components, due to its high deposition rates, efficient material utilization, and geometric flexibility. Nevertheless, the process still faces significant challenges related to metal transfer instability, melt-pool dynamics, spatter formation, and strong sensitivity to process parameter variations, particularly when the filler wire is supplied continuously and without thermal or kinematic conditioning. In this context, this doctoral thesis investigates the individual and combined effects of inductive wire preheating (hot-wire), external electromagnetic field assistance (EMF), and dynamic wire feeding on the wire-fed L-DED process, aiming to improve metal transfer stability, melt-pool behavior, and deposited bead geometry. The central hypothesis is that the application of these techniques enables more effective control of mass and energy transfer, leading to enhanced process stability, reduced effective heat input, and an expanded operational window. To achieve this objective, a novel wire-feeding system was developed, capable of integrating inductive preheating, electromagnetic field application, and dynamic wire feeding through controlled forward?backward oscillations of the wire. Experimental investigations were conducted using ER70S-6 wire with a diameter of 1.2 mm deposited onto SAE 1020 steel substrates, under controlled laser power, scanning speed, and average wire feed rate. Process characterization was performed through high-speed imaging to analyze metal transfer behavior and melt-pool dynamics, as well as macrographic analysis of bead cross-sections to evaluate height, width, penetration, and dilution. The results demonstrate that inductive wire preheating modifies the thermal balance of the process, reducing the fraction of laser energy required to melt the filler material and promoting the formation of a more stable liquid bridge. Electromagnetic field assistance contributes to melt-pool stabilization, reducing spatter occurrence and improving bead geometric uniformity through the action of Lorentz forces on the molten metal. Dynamic wire feeding introduces a controlled temporal modulation of mass and energy transfer, directly influencing melt-pool area, contact angle, and overall process stability. The analysis of these techniques provides a comprehensive understanding of their individual influence on process behavior, highlighting their potential as independent strategies for improving stability and deposition quality in W-LDED. Additionally, the development of the experimental system enabled the conception, design, and construction of an innovative research infrastructure, capable of integrating inductive heating, electromagnetic field application, and dynamic wire feeding within a single setup. This infrastructure significantly expands the research possibilities in wire-based L-DED, enabling the investigation of phenomena and control strategies that were previously not accessible. It is concluded that the integration of hot-wire preheating, electromagnetic field assistance, and dynamic wire feeding constitutes an effective strategy for advanced process control in wire-fed L-DED, with strong potential for industrial applications in metal additive manufacturing and laser-based surface coating.