基于电弧的金属增材制造技术研究现状

2018-01-24王世杰王海东罗锋

金属加工(热加工) 2018年1期

■ 王世杰，王海东，罗锋

增材制造技术是基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动，采用材料逐层累加的方法制造实体零件的快速成形技术。该成形方法是将产品数字化设计、制造、分析高度一体化，不仅能够显著缩短研发周期和研发成本，而且越是结构复杂、原材料附加值高的产品，其快速高效成形的优势越显著。

现阶段已经使用的金属结构增材制造技术有很多，例如选择性激光烧结、电子束熔化、形状沉积制造以及电弧增材制造技术等。根据用于金属沉积的能量源不同，送丝增材制造技术主要分为激光、电弧焊和电子束三种。其中，基于电弧焊的增材制造技术具有降低成本和较高沉积速率的优点。本文主要介绍基于电弧增材制造技术的研究现状，分析现阶段该技术研究的关键技术，探讨其可能的发展方向，阐述该技术在大型化、整体化高端零部件制造中的应用。

1. 电弧增材制造技术原理

电弧增材制造技术是采用逐层堆焊的方式制造致密金属实体构件，因以电弧为载能束，热输入高，成形速度快，适用于大尺寸复杂构件低成本、高效快速近净成形。面对特殊金属结构制造成本及可靠性要求，其结构件逐渐向大型化、整体化、智能化发展，因而该技术在大尺寸结构件成形上具有其他增材技术不可比拟的效率与成本优势。

电弧增材制造3D打印技术是将焊接方法与计算机辅助设计结合起来的一种加工技术，即用计算机提供的三维数据来控制焊接设备，然后通过分层扫描和堆焊的方法来制造金属元件。

2. 电弧增材制造技术现状

（1）熔化极气体保护增材制造（GMA—AM）采用电弧进行增材制造零件时，需要根据零件的尺寸与焊道基础尺寸参数来设计焊接枪头的行走路径，电弧增材制造后期机加工以及最终成形件如图1所示。

在电弧增材制造过程中，合理的夹紧形式能有效地降低添丝电弧增材结构件的变形和缺陷。北京理工大学的Wang Xiaolong等人搭建了如图2所示的电弧增材制造系统，通过建立三维有限元模型，并验证了焊缝截面和热源模型的正确性。采用Simufact焊接有限元分析软件，对四种典型的夹紧形式进行了总变形和残余应力分布的比较。结果表明，边缘夹紧形式比角形夹具具有更好的性能。在边缘夹紧形式中，横向夹紧比纵向夹紧在保证尺寸精度方面起着主导作用。在分析残余应力分布的基础上，只有横向夹紧的夹紧形式才能得到最小的残余应力分布。

丝材-电弧增材制造使我们能够建立完全致密的金属零件，主要通过在各层之间采用焊接过程沉积材料。大部分情况下，电弧增材制造过程中，焊枪始终保持垂直方向，这就要求相应设备系统具备一定辅助功能，并尽可能要求在沉积过程中的各部分的相互协同移动。

冷金属过渡技术一经提出就受到国内外学者的广泛关注，认为其特别适合用于电弧增材制造研究，进而CMT电弧增材制造技术一直是近几年国内外学者研究的热点。卜星等人正是利用冷金属过渡技术的优点，设计了电弧增材制造成形系统，同时利用搭建的系统研究焊接参数对焊缝熔宽和层间增高量的影响。与此同时，孙斌等研究了适合于316L丝材电弧增材的保护气和不同焊接参数下316L焊丝的成形性，确定了适合于316L电弧增材的保护气为98%Ar+2%O2，以及良好成形性的工艺参数范围与组织特点，利用电弧增材制造了合格的带颈法兰件，如图3a所示。Almeida等人进行了Ti—6Al—4V材料的单墙体结构电弧增材制造试验，如图3b所示，并分析了成形零件的组织性能。Kazana等人打破了电弧增材制造只能采用平焊位置的局限，证明了全位置电弧增材制造的可行性，如图3c所示，制造过程中不添加任何支撑，为复杂结构的电弧增材制造提供了有力支持。同样在英国克兰菲尔德大学的S. W. Williams等人基于CMT技术，对电弧增材制造展开了一系列研究，其成形件如图3d所示。

（2）非熔化极气体保护增材制造（GTA—AM）非熔化极惰性气体保护焊（GTAW）作为一种常用的电弧焊接方法，由于其相对飞溅较小、独立控制热源和送丝系统等优势，有些研究人员也尝试采用其展开相应增材制造工艺研究。该成形方法的技术基础即为填丝钨极氩弧多层多道焊，由稳定的钨极氩弧提供电弧熔化热，同时具备配合独立于焊接设备的同步不断送进的焊接材料，形成具有一定几何尺寸的致密的单层焊缝，层层堆叠，形成一定几何形状的构件。其成形过程示意如图4所示。

Oguzhan Y使用脉冲电流GTAW增材制造的方式制造不锈钢部件，使用AISI 308LSi不锈钢焊丝。研究中通过比较脉冲频率和其他沉积工艺参数对增材制造组件的形态和微结构特性的影响，得到的结果表明，通过脉冲电弧电流制造的沉积样品通常具有更细的晶粒，高残留铁素体和不存在柱状晶粒。脉冲频率对制造部件的表面形貌和微观结构有显著的影响。

黄丹等对5A06铝合金GTA—AM工艺进行了研究，选用φ1.2mm的5A06铝合金焊丝作为成形材料，以TIG交流模式焊机为电源，以四轴联动数控机构为运动执行机构，建立了单层单道基板预热温度和电弧峰值电流工艺规范判据。研究结果表明，成形件层间组织为细小的树枝晶和等轴晶，力学性能具有各向同性。M, Santangelo等搭建了图5所示的试验平台，将焊枪、送丝器和机械臂连接在一起，从增材制造控制系统设计到工艺研究等方面展开系列研究，机器人被设定为数字输出，重点描述焊接材料的材料特性，表征了焊接电弧的效率。

3. 电弧增材制造应用现状

近年来，WAAM技术在国外发展相对成熟，许多大型航空航天企业及高校积极开发WAAM技术，制造了大型金属结构件。克莱菲尔德大学采用MIG电弧增材制造技术制造钛合金大型框架构件（见图6），沉积速率达到每小时数千克，焊丝利用率高达 90%以上，该产品的成形时间仅需1h，产品缺陷很少。欧洲空中客车（Airbus）、庞巴迪（Bombardier）、英国宇航系统（BAE system）以及洛克希德·马丁英国公司（Lockheed Martin-UK）、欧洲导弹生产商（MBDA）和法国航天企业Astrium等，均利用WAAM技术实现了钛合金以及高强钢材料大型结构件的直接制造，大大缩短了大型结构件的研制周期。L.Martin以ER4043焊丝为原料，采用电弧增材的方法研制出了大型锥形筒体，高约380mm；Bombardier采用电弧增材技术在大型平板上直接制造了大型的飞机肋板，长约 2.5m，宽约1.2m。

图1 电弧增材制造后期机加工以及最终成形件

国内武汉天昱智能制造有限公司研发出基于电弧3D打印核心专利技术，进行自主开发的集电弧/等离子弧/激光于一体的微铸锻复合3D打印大型设备，可打印金属范围5000mm×2000mm×1500mm，涵盖大、中、小各种规格不同材料复杂样件。英国的核电站增材制造自动化单元由库卡六轴机器人组成，在φ3.5m的转盘上装载着二轴机械手，机器人通过进行“TOPTIG”电弧焊的方式来完成增材制造，系统中集成了金属焊丝送入焊枪，机器人按照计算机辅助设计模型的路径来创建三维几何形状。该系统可用于制造大型泵和阀的壳体或压力容器，有效降低初始成本和避免昂贵的锻件或铸件。

4. 金属电弧增材制造发展趋势

实践证明，电弧增材制造技术经济效益非常大，应用前景也十分广阔。随着研究广度和深度进一步拓展，对电弧增材制造技术的研究将重点集中在以下几个方面。

（1）优化工艺对成形工艺、成形系统、成形材料之间的关系进行深入研究，优化成形工艺，实现焊接技术与数控加工之间有效集成。开发更加先进的控制技术，实现对熔滴的几何尺寸、过渡速度和温度的有效控制；进一步研究薄壁复杂件成形过程中焊接热应力对成形质量的影响。

（2）开发更加稳定的系统研发控制精度高、可靠性好、柔性高的闭环控制成形系统。系统应能够实时监控焊枪在成形过程中的位置，自动调整焊接工艺参数，能够实现对执行过程各环节进行控制。同时，将多种焊接工艺、多轴CNC加工单元结合在一起，以提高焊接效率，提高成形件的精度，并可以实现快速成形功能梯度材料的金属成形件。研发先进的焊接机器人技术，从而进一步扩大焊接成形范围。

图2 电弧增材制造系统

图3 基于CMT技术的电弧增材制造成形件

（3）开发配套成形材料电弧增材制造成形技术几乎没有专门的成形材料，仍然在沿用结构钢焊接材料，难以实现多功能、复杂化的要求，因此开发系列化和专业化的成本低、强度高、成形性能好又能满足成形功能化金属成形件成形材料就成了当务之急。

（4）提升产品质量未来，随着金属电弧增材制造机理的拓展深化和金属电弧增材制造工艺的深入研究，电弧增材制造的效率将会得到明显改善，金属电弧增材制造的致密度会得到大大提升，零件的力学性能会得到提高，表面质量和其他物理性能也会得到改善。

5. 结语

基于电弧的金属结构3D打印技术，未来很有希望成为一种生产小批量、特殊合金部件的方法，甚至是在实际产品制造中都有可能广泛被使用。因其与传统工艺（包括锻造和铸造）的整体成本相比，在材料损耗和成本节约方面优势显著，从零件的概念化到最终制造的生产时间将大大减少。但也有一定的局限性，表现为，基于熔化金属实现的金属结构3D打印，目前它更适合塑性好的金属材料，对于难焊金属材料的电弧增材还有很多困难，还需要大量的研究和验证。

总而言之，目前基于电弧的金属结构3D打印技术的研究尚处于基础研究阶段，还存在较多问题需要解决。但随着研究的不断深入、技术的不断成熟，电弧3D打印技术的应用必将向广度和深度方向发展。

[1] 江洪，康学萍．3D打印技术的发展分析[J]．新材料产业，2013，(10)：30-35．