电弧增材制造成形规律、组织演变及残余应力的研究现状

耿汝伟，杜 军，魏正英

(西安交通大学，机械制造系统工程国家重点实验室，西安 710049)

0 引 言

金属增材制造技术是20世纪80年代发展起来的具有重大意义的先进机械零件制造技术，根据其所用热源种类可分为激光增材制造、电弧增材制造和电子束增材制造。其中，电弧增材制造(Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM)是以焊接电弧为热源，根据零件三维实体所建立的CAD模型进行分层切片，通过送丝系统，在成形软件的控制下逐点堆积，以一定成形路径自下而上地制造出所需零件的先进数字化制造技术。其形成的熔池大，沉积效率高，后续材料切削量少，相比于激光和电子束增材制造优势明显。在设备方面，电弧增材制造用热源主要由熔化极惰性气体保护焊[1-2]、钨极惰性气体保护焊[3-4]以及等离子体焊接电源等产生，相对于电子束、激光增材制造，其在价格和系统简易程度上具有绝对优势。电弧增材制造不需要特殊的成形环境，可通过机械臂和导轨扩展成形区域，构件尺寸不受成形仓限制，适用于制造大型金属构件。在成形材料方面，金属丝材生产周期短、价格低廉，相对于粉末更易于制备，而且电弧增材制造技术可成形的材料种类广泛，可成形对激光反射率高的铝合金、铜合金等。

与传统减材制造相比，电弧增材制造可以缩短40%～60%的成形时间，且材料利用率高，后续机加工时间亦可缩短15%～20%[5]。电弧增材制造技术取得的突破性进展使得飞机复杂部件如起落架肋板等的增材制造成为可能，该方法与传统减材加工方法相比可节约78%左右的原材料成本[6]。然而目前，电弧增材制造工艺尚未发展成熟，若要使之成为工艺稳定、质量可靠的增材制造技术，则需对其各个方面进行深入研究，包括设备搭建、工艺参数优化、路径规划、在线监控与反馈、显微组织、残余应力与构件变形等[7]。作者介绍了电弧增材制造技术的发展史，从增材制造“控形控性”[8]的角度，对电弧增材制造的成形规律、显微组织演变机制、残余应力与变形的数值模拟方法进行了综述，最后总结了工程应用中控制应力变形的几种方法。

1 电弧增材制造的发展史

尽管人们广泛认为电弧增材制造技术仅有一二十年的历史，但实际上基于焊接技术的近净成形概念早在约100年前就已经形成。焊接技术出现后，很多发明家利用其制造出不同形状的构件，电弧增材制造的理念开始萌芽。早在1920年，BAKER[9]利用熔化极电弧通过预设的螺旋形路径成形了一个装饰品，并申请了金属叠加沉积成形的专利。随后，UJIIE[10]通过焊接填充材料沉积的方法成形了圆形横截面的压力容器，并在接下来的时间里致力于提高沉积效率，研制出一种三丝电极气体保护焊技术。1983年，KUSSMAUL等[11]基于埋弧焊接原理逐层堆积(沉积效率达80 kg·h-1)制造了一个质量为79 t的金属压力容器，并研究了其抗拉性能和抗冲击行为，但该成形方式所得压力容器通常会产生裂纹。由于当时残余应力和冶金行为对构件力学性能影响的研究还十分落后，焊接成形的发展受到阻碍。

计算机控制技术在机械制造领域的发展和应用重新振兴了三维焊接技术。DICKENS等[12]通过在线点对点编程，采用机器控制的气体保护焊工艺逐层沉积成形了无支撑的墙体结构。RIBEIRO等[13]开发了一个离线监控系统，其可以实现CAD模型的分层切片，然后按照预定路径逐层沉积成所需的形状。1993年，PRINZ等为新型沉积成形设备申请了专利，该设备通过CNC铣床进行焊接成形控制。20世纪90年代，英国克莱菲尔德大学焊接工程研究中心(Welding Engineering Research Centre)为英国Roll-Royce飞机发动机公司开发了成形沉积制造(SMD)技术，以取代传统铸造成形工艺，并研究了SMD成形钛合金、高温合金及铝合金等材料的性能。基于此，新兴电弧增材制造工艺的理论和工程应用得到飞速发展，自动化设备研发、软件编制、沉积成形机理及残余应力控制等得到广泛关注。

2 工艺参数对沉积层形貌的影响及研究方法

金属增材制造成形件应满足尺寸精度、公差等形状要求，即控形。一般通过试验直接研究工艺参数对沉积层形貌的影响。DINOVITZER等[14]研究发现，电弧增材制造工艺参数中，电流和基板移动速度(成形速度)对沉积层形貌的影响最大，两者均可控且调节最频繁。在其他参数不变的情况下，增大电流可以提高热输入和熔池温度，使高温熔体得以充分铺展，凝固后沉积层的高度减小、宽度增大；加快基板移动速度，高温熔体由于热输入减小来不及充分铺展，沉积层宽度减小，在送丝速率不变的情况下，单位时间内沉积的原材料减少，层高也相应减小。此外，基于计算流体动力学(CFD)的数值模拟也是研究沉积层形貌的有效手段。OU等[15]通过三维流动传热模型计算电弧增材制造成形过程中的温度场和热流场，亦得出上述类似结果。DU等[16]研究了变极性非熔化极惰性气体保护焊中焊接速度和脉冲频率对熔池内热流场和沉积层形貌的影响，发现与试验结果相比，熔宽、熔深尺寸的模拟相对误差不超过7%，该研究对于相同电源的电弧增材制造过程同样具有参考意义。

利用计算流体动力学方法虽然可以较为准确地预测沉积层的几何参数，但在多层多道沉积或工艺参数变量较多的情况下，其计算量巨大，耗时长，实用性较差。KUMAR等[17]利用遗传算法建立了沉积层形貌(层高、层宽和横截面形貌)的预测模型，可以准确且快速地预测不同工艺参数(包括电流、电压、送丝速率、气体流量等)下的沉积层形貌。DING等[18]建立了人工神经网络模型，将送丝速率和成形速度作为输入条件来预测单道单层沉积时的层高和层宽。遗传算法和人工神经网络方法可有效减少工作量，极大地节约时间和人工成本。

在电弧增材成形过程中，热输入也是影响沉积层形貌的重要参数之一。热输入过高会导致沉积层间温度不断升高、层高减小、宽度增大，最终导致尾部塌陷。在钛合金电弧增材制造过程中，当层间温度由100 ℃升至300 ℃时，沉积层高度减小11.7%，宽度增加12.2%[19]。OGINO等[20]研究发现，每道次成形后冷却一定时间，严格控制层间温度，可以明显改善尾部塌陷问题。

3 电弧增材制造件的显微组织演变机制

电弧增材制造件除满足尺寸要求外，从控性的角度来说，还要满足力学性能及疲劳寿命等要求。金属构件的宏观力学性能在很大程度上取决于其微观组织结构。在电弧增材制造过程中，可以通过调控电流、成形速度、基板预热温度和后续热处理等方法改变构件内部显微组织的取向、大小和形态等，从而获得理想的力学性能。因此，首先要明确电弧增材制造件的显微组织演变机制，在此基础上改变成形工艺参数，从而实现从显微组织到宏观力学性能的可控制造[21]。显微组织研究方法主要有数值模拟和金相试验观测两种。电弧增材制造可成形材料种类广泛且变量繁多，若通过控制工艺参数对不同材料逐一进行试验研究，将会耗费大量时间和精力。数值模拟结合试验验证则是一种相对理想的研究方法。

熔池内的温度梯度G和凝固速率R直接决定着显微组织形态。当G/R由大变小时，凝固组织将从平面晶向柱状晶和等轴晶转变。晶粒尺寸则与冷却速率及G，R的乘积有关。OU等[15]通过建立三维流动传热模型，研究了电弧增材制造各工艺参数对温度梯度、冷却速率等凝固参数的影响，发现增大电弧功率或减小基板移动速度会减缓冷却凝固过程；而送丝速率和丝材直径不改变系统热输入，对熔池内的传热凝固无明显影响。AYARKWA等[22]研究了峰值电流时间对沉积层形貌、晶粒尺寸和构件力学性能的影响，发现在电弧增材制造过程中，提高峰值电流时间会导致晶粒粗化，但对构件最终力学性能影响不大。

上述关于电弧增材制造凝固组织的定性分析并不能满足工程应用需求，因此一种定量模拟凝固过程中枝晶生长的方法——相场法受到越来越多的关注，其通常与计算流体动力学或有限元方法结合使用，以便获得电弧增材成形过程的初始凝固参数。WANG等[23]通过相场法与有限元法研究了焊接熔池内不同位置处的显微组织，模拟结果与试验观测到的一次枝晶臂间距相一致。HAN等[24]利用有限元及元胞自动机法模拟电弧熔池内枝晶外延形核与枝晶生长状况，研究了焊接速度对显微组织的影响，结果表明提高焊接速度可以有效细化晶粒。FARZADI等[25]利用计算流体动力学建立电弧熔池流动传热模型，选取熔池内垂直于熔合线边界并与焊接方向平行以及呈45°角的两个位置，提取其温度梯度、凝固速率等参数，然后用相场法模拟了焊接速度为3 mm·s-1和8 mm·s-1时两位置处的柱状晶生长情况，结果表明：提高焊接速度可以降低一次晶臂间距，使凝固组织更加均匀细小；在相同焊接速度下，熔池中心线上冷却速率最大，一次晶臂间距较小；由于电弧增材成形经历快速非平衡冷却过程，显微偏析现象相对于铸造过程减轻许多，这也是电弧增材制造件力学性能普遍优于铸件的原因之一，但其仍会存在溶质元素分布不均匀的现象。电弧增材制造TC4合金构件熔合线附近存在偏析层，溶质元素发生晶内偏析，其中铁、钒元素偏析明显，铝元素的偏析亦可观察到[26]。4325铝合金电弧增材制造件也存在类似现象，溶质元素主要在晶界处富集，铝元素则多分布在枝晶内部[27]。

目前鲜有关于电弧增材制造工艺参数对显微偏析影响的报道，工艺参数对溶质分布的影响实质上是通过冷却速率施加的。WANG等[28]研究发现，增大激光选区熔化扫描速度可以提高熔池冷却速率，由此减轻显微偏析现象，该研究结果可为电弧增材制造提供参考。构件的力学性能与凝固组织有着直接的联系。热影响区晶粒粗大，元素偏析严重，一般为构件最薄弱的部位；由于冷却速率快，沉积层元素分布较为均匀，晶粒较细，力学性能较好。

总体来看，电弧增材制造相关研究主要集中在构件结构与成形策略之间的关系[29-30]，热力学行为与凝固参数之间的关系[31]，凝固参数与显微组织演变之间的关系[32]以及工艺参数与构件力学性能之间的关系[33-34]等方面。而电弧增材制造工艺参数对热力学行为、沉积层形貌、显微组织演变的影响以及对应的试验验证方面的综合研究仍较为有限。

4 电弧增材制造件的残余应力与变形

在增材制造过程中，构件内部经历快速局部加热和冷却过程，基板和沉积层以及各沉积层之间产生巨大的温度梯度，金属熔体凝固收缩不可避免会产生残余应力和变形。电弧增材制造件的残余应力有时甚至与其屈服强度相近，这直接影响到构件的疲劳性能和服役寿命。当局部残余应力高于抗拉强度时，材料会产生裂纹；当局部残余应力高于屈服强度但低于抗拉强度时，材料发生塑性变形[35]。电弧增材制造件中存在多种变形形式，包括横向和纵向收缩、弯曲变形、角变形、扭曲变形等[36]，这会影响到构件的尺寸精度和装配性能。变形由多重热循环下材料的膨胀和收缩导致，大型薄壁构件的变形更加明显[37]。电弧增材制造一般用于成形大尺寸构件，若构件因残余应力过大而开裂，则会导致零件报废，造成极大的经济损失。因此，无论是从控形还是控性的角度，都有必要对电弧增材成形过程中的应力和变形进行研究，通过优化工艺参数等方法来减小应力，控制变形。

4.1 残余应力与变形的数值模拟方法

除试验测试外，有限元分析是研究增材制造过程中热力耦合行为的有效方式。通过有限元建模，可以深入分析成形过程中的热力学行为以及残余应力和变形的演变机制，为工艺参数优化提供更加简便快捷的方法[38-39]。

构件在成形过程中发生的总应变εtotal[40]可以表示为

εtotal=εelastic+εplastic+εthermal+εphase

(1)

式中：εelastic为弹性应变；εplastic为塑性应变；εthermal为热应变；εphase为相变引起的应变。

弹性应变模型利用各向同性的胡克定律以及弹性模量和泊松比建立；塑性应变模型通过Von Mises屈服标准、各向同性的加工硬化模型和随温度变化的材料力学性能获得；热应变模型则利用热膨胀系数计算得到；由相变引起的应变在某种程度上是由体积变化引起的。由于电弧增材制造的加热过程比较短暂，故不考虑蠕变的影响。DENG等[41]研究了碳钢中马氏体相变应力对残余应力的影响，发现在快速冷却过程中，面心立方(FCC)结构的奥氏体会转变为体心立方(BCC)结构的马氏体，相变引起的体积膨胀是相变应力产生的主要因素；在低碳钢中，由马氏体相变导致的残余应力基本可以忽略，而在中高碳钢中，相变对残余应力的影响比较明显，是必须要考虑的因素。在电弧增材制造件中，由于材料凝固收缩，沉积层长度方向上存在拉应力，为保持平衡，基板上则产生压应力。由于基板对沉积层的束缚作用，多层沉积构件顶部的应力要小于构件底部的[42]。残余应力对热输入并不敏感，当热输入增大1倍时，残余应力减小约20%，而变形量增大2.5倍，因此要统筹考虑参数变化对残余应力和变形的影响，以更好地优化工艺参数[43]。

热力耦合有限元模拟方法主要包括热弹塑性有限元法[44-45]和固有应变法[46-47]；这两种方法基于不同的原理，面向不同的工程实际，优势互补，相辅相成。热弹塑性有限元法是固有应变法的基础，其综合考虑了材料随温度变化的物性参数以及固液相变和固态相变对热力学过程的影响，研究了移动热源作用下温度场、应力场的演变规律，可以模拟整个电弧增材制造的加热和冷却过程，还可以精确分析成形过程中的应力变形，有助于理解不同成形工艺下应力变形的形成机制和演变规律，为控制应力变形提供理论基础。由于该方法模拟了完整的加热和冷却过程，计算量巨大、耗时长，且计算过程有明显的几何非线性和材料非线性特征，不易获得收敛结果，因此仅适用于对尺寸小、形状结构相对简单的构件进行应力与变形分析。此外，温度梯度是产生残余应力的直接因素，熔池内熔体的流动可以降低温度梯度，故沉积层形貌也会在一定程度上对应力分布产生影响，但热弹塑性有限元法在计算温度场时忽略了不同工艺参数对沉积层形貌的影响，未考虑熔池内流场的作用而导致误差较大。针对上述问题，有研究者提出将计算流体动力学法与有限元法相结合[43,48]，利用流体动力学法充分考虑流场和沉积层形貌的影响，获得准确的温度场，然后将温度信息输入到有限元模型中计算电弧增材成形过程中的应力与变形，以减小计算误差。但总体来说，相关报道十分有限，这成为今后热力耦合研究的一个重要方向。

固有应变法适用于对大型复杂构件进行应力与变形分析。基于固有应变理论，使用线弹性有限元代替热弹塑性有限元求解残余应力与变形，可以大幅度缩短计算时间。该方法是一种近似计算方法，需要先建立庞大且准确的固有应变数据库；这个数据库由热弹塑性有限元分析得到。

4.2 残余应力与变形的控制方法

基板预热、合适的沉积辅助工艺以及后续热处理是减小电弧增材制造件残余应力的3个主要方法。对基板预热可以降低热源作用下熔池内的冷却速率和温度梯度，从而减小热应力，防止变形开裂[49]。但对于大型复杂金属构件而言，基板加热和构件整体保温难度较大，而且长时间保温会使其显微组织发生改变，进而影响力学性能。

超声波冲击是一种相对新颖的减小残余应力的方法，目前已作为辅助工艺运用于增材制造中。通过对成形过程中的构件施加频率在2 000 Hz以上的振动，可以细化晶粒、减少内部孔隙及夹杂物；超声波振动能够破坏树枝晶，有助于熔体的后续补充，降低凝固收缩产生的拉应力[50]。GAO等[51]研究了超声波冲击对焊接结构应力的影响，发现超声可以使应力分布更加均匀，对于高应力水平区域的作用更为明显。NING等[52]通过底部超声辅助的方式激光近净成形不锈钢零件，明显改善了其显微组织和力学性能。国内其他学者也进行了类似研究[53-57]，同样证明了超声辅助具有降低增材制造金属构件残余应力的作用。但超声辅助元件一般放置在基板底侧表面处，对于大型复杂结构金属构件而言，振动强度在远离振源方向上逐渐降低，因此无法对整个零件实现有效的超声波干预，极大地影响了超声振动的作用效果。对沉积层逐层辊压也是能有效抑制应力和变形的一种辅助工艺。MARTINA等[58]在电弧增材制造过程中利用滚轮对沉积层进行辊压，使之产生塑性变形来改变内部应力状态，对比未辊压成形件，其残余应力减小60%，变形量降低50%。

热处理是一种消减残余应力的有效方式，且技术成熟，操作简便，广泛应用于激光增材制造和电子束增材制造中。LEUDERS等[59]研究发现，对激光选区熔化成形钛合金构件进行适当热处理后，沿沉积层高度方向和激光扫描方向的残余应力均大幅降低。张霜银等[60]研究发现，经去应力退火后，激光选区熔化成形钛合金构件在平行和垂直于激光扫描方向上的残余应力分别减小了59.8%和72.3%。虽然热处理对激光增材制造件的残余应力具有明显改善作用，但电弧增材制造主要面向大型金属构件，对构件整体进行热处理难度较大，因此电弧增材制造大型构件的应力及变形控制应在前处理和成形过程中进行。因为一旦构件因应力过大产生裂纹，很难通过后续措施补救。

5 结束语

电弧增材制造凭借高效率、低成本、原料易获取等优势获得越来越多的关注，成为大型构件增材制造不可替代的一种技术。在焊接技术诞生之时，电弧增材制造的理念就开始萌芽，从20世纪90年代开始，电弧增材制造在理论和工程应用方面均得到迅猛发展。然而目前，电弧增材制造仍有一些问题需要更深入的研究和探讨。

(1)构件的成形控制。控形是电弧增材制造的前提，各工艺参数尤其是电源电流和成形速度对沉积层形貌影响较大，并且能够改变成形过程中的热输入，从而影响高温熔体的铺展状况，进而影响沉积层的高度、宽度等。此外，层间温度过高会导致尾部塌陷，减少热累积才能获得均一稳定的构件。

(2)显微组织和力学性能的主动控制。电弧增材制造件经历周期性/非稳态循环加热和冷却过程，不同工艺参数下，熔池不同位置的显微组织有所差异，因此只有明确了显微组织的形成演变机制和影响因素，才能实现增材制造件的宏观、微观一体化制造。

(3)残余应力与变形的控制。残余应力和变形是电弧增材制造中不可忽略的问题，尤其是制造大型构件时。热弹塑性模型和固有应变模型是计算应力和变形的主要方法；有限元法具有一定局限性，其与计算流体动力学结合将是未来的重要研究方向之一。基板预热、超声波冲击、层间辊压和热处理等方法均可以减小电弧增材制造件的残余应力和变形。工程应用时，要根据实际情况选择合理的工艺和后处理方法。