絲材電弧增材制造技術研究現狀及展望

王庭庭，張元彬，謝岳良

（山東建筑大學 材料科學與工程學院，山東 濟南 250101）

絲材電弧增材制造技術研究現狀及展望

王庭庭，張元彬，謝岳良

（山東建筑大學 材料科學與工程學院，山東 濟南 250101）

絲材電弧增材制造技術因其成形速度快、成形件尺寸靈活等優(yōu)點受到越來越多的關注，尤其是大尺寸、復雜形狀構件的高效快速成形，絲材電弧增材制造有著其獨特的優(yōu)勢。介紹了絲材電弧增材制造技術的工藝過程，從絲材電弧增材制造成形件的成形工藝及表面質量研究、成形件組織性能研究以及成形件殘余應力研究三個方面綜述國內外絲材電弧增材制造技術的研究現狀，總結該技術現階段在航空航天領域的應用情況，指出研究人員對絲材電弧增材制造技術的相關研究工作聚焦于工藝優(yōu)化和過程控制兩個方向，怎樣才能通過熔滴的平穩(wěn)過渡獲得高質量的成形件，如何有效控制逐層堆積過程中晶粒及顯微組織變化，以抑制零件內部不良組織的產生是需要繼續(xù)研究的問題。

絲材；電??；增材制造

0 前言

增材制造（Additive Manufacture，AM）指通過對零件三維CAD模型進行分層切片降維處理，按預先生成的路徑將材料逐層累加而制造實體零件的過程。它是一種“自下而上”材料累加的制造方法，可一次成形復雜零件或模具而無需工裝設備，實現了零件的自由制造。在制造復雜功能零件、復雜結構零件、難加工易變形零件等方面的優(yōu)勢更加突出[1]。

利用激光、電子束或電弧熱等能源加熱熔化金屬粉末或焊絲來實現金屬零件直接快速成形制造，是國內外增材制造技術研究人員的目的[2-3]。絲材電弧增材制造技術（Wire and Arc Additive Manufacture，WAAM）技術無需模具，與鑄造、鍛造工藝相比，生產制造時間短、產品靈活性好[4]。與粉末增材制造相比，WAAM成形件材料利用率更高。粉末床預鋪粉選區(qū)熔化（燒結）（Powder-bed）、同步送粉（Blownpowder）、電弧絲材增材制造（WAAM）、高能束絲材熔融沉積（Hi.Dep.Wire-fed）四種增材制造方法的比較如圖1所示[5-8]。WAAM雖然成形精度稍差，但其材料適用范圍廣、效率高、成本低，是與激光增材制造方法優(yōu)勢互補的3D增材成形技術[9-10]。

圖1 幾種工藝方法的比較[5]

1 WAAM工藝方法

WAAM是采用熔化極氣體保護焊（GMAW）、鎢極氬弧焊（TIG）或等離子弧焊（PAW）熱源，利用逐層熔敷原理，通過絲材的添加，采用逐層堆焊的方式成形出金屬零件的技術[4]，其工藝過程如圖2所示。WAAM構件整體全是焊縫，組織和化學成分均勻，主要用于大尺寸、較復雜形狀構件的低成本、高效快速成形[11-12]。但電弧增材制造成形精度差，一般需要二次表面機加工。

圖2 WAAM技術工藝過程[5]

2 國內外研究現狀

早在20世紀初，西屋電器Baker[13]申請過一項以電弧為熱源逐層堆焊制造金屬件的專利。20世紀末，WAAM技術結合數字化控制手段在成形大型復雜結構件上的優(yōu)勢突出，國內外研究人員才開始WAAM技術的研發(fā)工作。WAAM技術以電弧為載能束，制造過程中熔池體積大，加上材料種類、電弧吹力、電源特性等擾動因素的存在，增強了熔池的不穩(wěn)定性。能連續(xù)一致地逐層堆焊是實現WAAM的先決條件，因此要求每層的組織、成分、性能等的再現性良好。

2.1 國外研究現狀

國外有關WAAM成形工藝及表面質量的研究，在工藝優(yōu)化、過程監(jiān)控和實時反饋等方面較多。工藝優(yōu)化方面，目前主要通過試驗方法，針對不同的材料體系、不同的焊接方法，選出關鍵影響因素（焊速、焊絲直徑、送絲速度、層間溫度、電流、電壓等）。Escobar-Palafox[14]采用統(tǒng)計方法探討鎢極氣體保護焊AM構件尺寸、弧長、焊速和熱輸入密度對成形件表面質量、體積收縮、組織等的影響規(guī)律。研究表明，一定范圍內增大焊絲直徑、送絲速度、焊速可獲得較好的表面形貌。美國Southern Methodist大學Ouyang等人[15]采用變極性鎢極氣體保護焊工藝堆焊制造5356鋁合金構件，指出影響構件尺寸精度、表面質量的關鍵是控制弧長、基板預熱溫度及層間溫度。英國Cranfield大學Martina等人[16]建立了一套輸入焊接速度、送絲速度、焊接電流，輸出變量為多層單道壁厚和層高的等離子弧填絲增材制造系統(tǒng)，得出輸入與輸出變量之間的關系模型。韓國首爾大學Zhu Hu和Kunwoo Lee等人[17-18]提出了基于沉積和銑削特征來確定加工方向的算法和基于凹邊識別的分層算法。英國Cranfield大學Almeida等人[19]成形了表面質量較好的多層單道薄壁構件。J.Mehnen等人[20]指出增材制造技術成形大尺寸構件時，可按有限元模擬獲得小變形的溫度場和應力場路徑進行施焊。2012年Cranfield大學研究人員[21]實現了不同傾斜角度和封閉薄壁件的增材成形。在WAAM工藝穩(wěn)定性及構件形貌重復再現性方面取得了突破性進展。WAAM過程中，堆焊層數增加，成形件熱積累增大、散熱條件差，熔池凝固時間變長，熔池形狀難于控制。美國Tufts大學Kwak等人[22]通過控制焊速和送絲速度來控制熔敷堆高和有效寬度，利用熔化極氣體保護焊槍進行堆焊成形，實現了對構件成形尺寸特征的實時閉環(huán)控制。

目前針對WAAM成形件組織性能的研究工作還處于組織分析、性能規(guī)律的描述階段，未找到一般性規(guī)律并進行深入的理論及機理分析。例如，WAAM技術制造鈦合金構件的顯微組織通常是鑄鍛造技術難形成的長柱形β晶[10]。Paul等人[23]指出外加電磁場對WAAM技術制造TC4構件晶粒形狀的影響不大，如圖3所示的軋制處理可以細化WAAM成形件組織，降低其殘余應力和表面粗糙度。Bermingham等人[24]證實微量硼元素能夠有效消除WAAM鈦合金α晶界和團束組織，形成各向同性的細小α等軸晶。Baufeld[25]指出不同方向上WAAM TC4成形件抗拉強度值相差不大，但是塑性有明顯區(qū)別，沿成形方向最高達19%，而垂直于成形方向僅9%。Mohammad Pervez Mughal等人[26]指出增材制造過程中沉積一層后進行銑削加工，將改變成形件的微觀組織形態(tài)，基本不影響成形件屈服強度。

圖3 軋制形式[23]

逐層堆焊過程中，成形件內不同部位的散熱條件差異導致的應力分布特征，也是與其性能密切相關的一個急需深入研究的方向。如何構建WAAM成形過程中溫度場、應力場的演變模型，以預測成形件殘余應力水平和扭曲變形及優(yōu)化WAAM成形路徑，是這一研究角度的關鍵及難點。Colegrove等人[23]將增材制造與傳統(tǒng)的軋制工藝相結合，既減小了焊接產生的殘余應力和工件變形，又改善了晶粒組織。

2.2 國內研究現狀

目前國內研究的WAAM成形方法包含TIG焊、MIG焊和CMT。西北工業(yè)大學研究人員利用GTAW（Gas Tungsten Arc Weld）交直流焊機搭建了WAAM成形系統(tǒng)，著眼于WAAM成形物理過程、熔池系統(tǒng)穩(wěn)定性、組織演變和性能優(yōu)化等的研究。天津大學尹玉環(huán)等人[27]指出，以TIG電弧為熱源的5356鋁合金增材制造過程中，控制道次間冷卻時間和不同層之間冷卻時間能獲得良好的增材成形效果。趙孝祥等人[28]研究表明，熔敷層寬度隨焊接電流的增加呈線性增加，直線與圓弧過渡、直線與直線過渡和圓弧與圓弧過渡三種路徑中直線圓弧過渡熔敷層寬度最小，直線與直線過渡最大。華中科技大學王湘平等人[29]為實現多軸WAAM的大懸臂結構無支撐直接制造，提出了一種厚度和方向均可變的自適應切片算法，并采用8軸Robotic WAAM系統(tǒng)制造了漸縮式螺線管（見圖4），驗證了算法的有效性。從保強等人[30]的研究結果表明，控制熱輸入、工作環(huán)境和送絲速度三個因素可有效控制鋁合金電弧填絲增材制造成形件內部的氣孔缺陷，控制送絲速度和焊接速度比可實現對鋁合金增材成形高度和寬度的有效控制。還指出鋁合金電弧填絲增材制造技術特別適用于航空航天工業(yè)領域鋁合金大型框架、整體筋板加強筋和加強肋等構件低成本、高效快速制造。周祥曼等人[31]建立了純氬保護電弧增材制造的電弧磁流體動力學三維數值模型，通過模擬計算獲得了增材制造特有的單道和多道搭接熔積條件下不同表面形貌對應的電弧形態(tài)以及相應的溫度場、流場、電流密度、電磁力、電弧壓力分布。柏久陽等人[32]發(fā)現，單層多道結構的上表面形貌由單條焊道形貌、焊道間距和焊道數目共同決定，建立了焊道間距計算模型。胡瑢華[33]指出分層處理和路徑規(guī)劃是基于TIG堆焊技術熔焊成型技術的關鍵和基礎。道間距d=0.67W（焊縫熔寬）時，熔焊件表面平整度較好，對非薄壁件選擇沿長邊先輪廓后填充的軌跡，薄件則選擇沿輪廓或沿外輪廓向里偏置的堆積軌跡成形更好。張廣軍等人[34]的研究結果表明，送絲速度與焊接速度之比（送焊比）對熔滴的形狀影響較大。當送焊比大于12.5時，選用圓弧模型的精確度較高；當送焊比小于12.5時，拋物線模型的精確度較高。曹勇等人[35]用機器人GMAW及數控銑削復合快速控制系統(tǒng)實現了某履帶車輛凸輪零件的制造，從而證明了該系統(tǒng)的可行性和高效性。熊俊[36]研究了以Q235B鋼板為基體用φ1.2mm的H08Mn2Si焊絲進行GMAW多層單道成形，發(fā)現采用小電流的小規(guī)范工藝參數進行焊接時熔敷層表面質量較高。

圖4 8-軸Robotic WAAM成形漸縮式螺旋管

在金屬零件的組織研究過程中，需要研究金屬件的宏觀組織與微觀組織。因電弧的熱輸入較高，已成形構件受到熱源的往復加熱，成形過程中的熱積累較高[37]。關于WAAM成形組織演變特征的研究尚無相關報道，多是描述與分析。王桂蘭等人[9]研制出電弧微鑄軋復合增材制造系統(tǒng)，無模直接成形出熔鑄成形性和可焊性極低的45鋼大壁厚差高強度零件，組織更細小、力學性能更好，解決了難成形加工材料高強韌金屬零件的低成本快速成形難題。在電弧增材制造成形件力學性能方面，Wang等人[38]的研究結果表明，WAAM制造TC4成形件比鍛造件疲勞壽命長，延伸率相當。Ding和Wang等人[39]模擬了電弧增材制造技術過程中的應力及變形。綜上所述，WAAM技術的研究力度還不夠，不能控制成形件的顯微組織、殘余應力和變形等，需要加大研究力度。

3 應用情況

近年來，國外WAAM研究人員已經成形出大型金屬結構件。在航空航天領域，WAAM技術應用有原位制造和復合制造[40]。原位制造指采用電弧增材制造技術制造出所需零件或修補存在缺陷的零件，復合制造則是增減材制造技術相互補充共同生產制造金屬構件的方法。英國Cranfield大學研究人員采用MIG電弧增材制造技術快速成形制造出了缺陷少的鈦合金大型框架構件。歐洲Airbus、Bombardier、BAE system、Lockheed Martin-UK、MBDA和法國航天企業(yè)Astrium等均利用WAAM技術實現了大尺寸鈦合金及高強鋼結構件的直接快速成形，Bombardier制造了長2.5 m的飛機肋板[41]。目前技術只能制造幾何形狀及結構較為簡單的零件，成形精度低，尚未在航空航天領域得到廣泛應用。

4 展望

雖然WAAM技術存在成形精度低、成形穩(wěn)定性差、設備自動化水平不高等問題，但是隨著人們的高度關注和WAAM技術快速研制成形大尺寸、小批量構件的突出優(yōu)勢，WAAM技術有十分廣闊的應用前景。目前對WAAM構件質量的研究工作主要在工藝優(yōu)化和過程控制兩個方面，還未解決構件“內部質量”（晶粒及顯微組織等）的控制問題，不能用WAAM技術實現航空航天關鍵及主承力構件的直接快速成形。但隨著研究的進一步深入，電弧增材制造技術因其成形速度快和成形尺寸不受限制的突出優(yōu)點，將會得到廣泛應用。因此，如何控制零件內部晶粒及顯微組織變化，在現有設備基礎上通過熔滴的平穩(wěn)過渡來獲得高質量成形件是亟待解決的問題。

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Status and development prospects of the wire arc additive manufacture technology

WANG Tingting，ZHANG Yuanbin，XIE Yueliang
（School of Materials Science and Engineering，Shandong Jianzhu University，Ji'nan 250101，China）

Wirearcadditivemanufacturing（WAAM）technologyhas

increasingattentionbecauseofitshighformingspeed，flexible forming size，in particular，the large-size complex shape of the efficient shape of the rapid molding，wire and arc material has its unique advantages.This paper introduced the technology of WAAM，reviewed the current research situation both at home and abroad from forming processandsurfacequalityoftheformingmaterial，themicrostructureandpropertiesoftheformingpartandtheresidualstress of the forming part three aspects，and then summarized its application in the aerospace field，pointed out that present research work of WAAM mainly focused on the process optimization and process control.How to get the high quality parts by means of smoothly transfer of droplet，how to prevent the abnormal microstructure by means of controlling the grain size and microstructure transformation during the accumulating process stepbysteparetheproblemstobesolved.Themicrostructureofthenuggetzoneislathmartensiteandbainite，andthemicrostructure oftheheataffectedzoneisfinemartensite.

wire；arc；additive manufacturing

TG422.3

C

1001－2303（2017）08－0060-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.08.11

2017-05-02

王庭庭（1990—），女，在讀碩士，主要從事焊接技術與工藝的研究。E-mail：1219909075@qq.com。

張元彬，教授。E-mail：zhang_yuanbin@163.com。

本文參考文獻引用格式：王庭庭，張元彬，謝岳良.絲材電弧增材制造技術研究現狀及展望[J].電焊機，2017，47（08）：60-64.