焊接快速成形技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及思考

周好斌，高 東，劉 皓

(西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

周好斌,高東,劉皓.焊接快速成形技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及思考[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2018,33(2):106-112.

ZHOU Haobin,GAO Dong,LIU Hao.Development of welding-based rapid forming technology and thinking on it [J].Journal of Xi'an Shiyou University (Natural Science Edition),2018,33(2):106-112.

引　言

焊接快速成形技術(shù)將傳統(tǒng)的堆焊工藝與快速成形技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了金屬零件的直接成形[1]。通過計算機輔助軟件(CAD)或掃描實物獲得三維離散化模型，將模型沿某一坐標方向按一定的厚度進行分層切片處理，根據(jù)每層截面輪廓信息，進行工藝規(guī)劃，選擇加工參數(shù)，自動生成數(shù)控代碼并輸入成形機，將金屬原材料逐層堆焊成三維零件，最后對零件進行修整后處理[2]，成形過程如圖1所示。相對于傳統(tǒng)減材制造技術(shù)，焊接快速成形技術(shù)有諸多優(yōu)勢：省略了鑄鍛等大型機械加工設(shè)備，避免了減材加工造成的原材料浪費，突破了復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的制造桎梏，允許客戶定制產(chǎn)品，較短的成形周期縮減了訂貨到提貨的時間，因此該先進制造技術(shù)不僅可以帶來巨大的經(jīng)濟效益，而且可以減少對環(huán)境的污染[3]。

圖1　焊接快速成形過程Fig.1　Welding-based rapid forming process

快速成形熱源主要有激光、高能電子束及焊接電弧。激光快速成形是利用激光燒結(jié)或熔化金屬粉末，逐層固化形成三維零件的先進制造技術(shù)，主要用于復(fù)雜微小型零件的制造。激光成形件的表面精度和性能較好，但成形所需大功率激光發(fā)生器和高質(zhì)量粉末價格昂貴，成形過程中要求嚴格的安全措施，搭建成形系統(tǒng)需要巨大投資，成形尺寸受粉床限制，成形速度低，因此激光快速成形技術(shù)在目前條件下推廣使用受限；相比激光成形，高能電子束成形件的表面精度稍低，機械性能有所改善，但其成形要求真空環(huán)境，比激光和焊接成形所需Ar環(huán)境造價高，技術(shù)難度大[3]；而焊接快速成形件的精度和性能相對較差，但具有設(shè)備簡單、制造成本低、生產(chǎn)效率高、適用任何金屬材料和成形零件尺寸范圍大等優(yōu)勢，故其是一種經(jīng)濟、高效的金屬零件制造技術(shù)。

1　國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

焊接快速成形技術(shù)起源于埋弧堆焊制造技術(shù)。德國Thyssen公司采用SAW(Submerged Arc Welding)技術(shù)制成了材料為ASTM A387，直徑5.8 m，長10.5 m，重達500 t的大型壓力容器部件[4]。由此可見，采用這種方法可以滿足對大型鍛件的需求。此后，國內(nèi)外研究者們開始將一些較先進的焊接方法應(yīng)用于快速成形中，主要有熔化極氣體保護焊、鎢極氣體保護焊、等離子弧焊及一些新型焊接方法。

1.1　基于GMAW的快速成形技術(shù)

基于GMAW(Gas Metal Arc Welding)的快速成形技術(shù)極大地提高了生產(chǎn)效率，而且設(shè)備簡單，但是也存在熱輸入高、成形精度低的問題，為了克服這些問題，國內(nèi)外研究者采取了各種科技手段。

20世紀80年代，Babcock-Wilcox公司采用GMAW與PAW(Plasma Arc Welding)的混合焊，制造了奧氏體不銹鋼及鎳基超合金的部件[5]。1992年，英國Rolls·Royce公司與克萊菲爾德大學(xué)聯(lián)合開發(fā)了基于GMAW/GTAW(Gas Tungsten Arc Welding)的焊接快速成形系統(tǒng)，制造了航空發(fā)動機零部件[6]。1998年，英國諾丁漢大學(xué)的J.D.Spencer等人[7]利用基于機器人的焊接方法制造了金屬模具。Mughal等人[8-11]利用有限元模擬研究基于GMAW快速成形間隔冷卻時間和連續(xù)沉積的溫度場分布特征，分析成形間隔冷卻時間對連續(xù)沉積過程重復(fù)加熱和熱量積累的影響規(guī)律，并對單層制造過程熱應(yīng)力分布及變形情況進行了研究。Paul A.Colegrove等人[12]對基于GMAW焊接快速成形過程的殘余應(yīng)力和微觀結(jié)構(gòu)的改善進行了研究，通過高壓軋制的方法降低殘余應(yīng)力、減少變形及表面粗糙度，這也導(dǎo)致了晶粒的再結(jié)晶。

華中科技大學(xué)的周龍早、劉順洪等人[1,13]對基于焊接機器人的快速成形工藝的前期模型切片處理以及掃描路徑規(guī)劃算法進行了研究，編寫了焊接機器人快速成形軟件，該軟件能夠準確地完成三維模型的分層處理及路徑規(guī)劃，進而提高了其成形精度。該校王桂蘭等人[14]研究了電磁場對基于焊接機器人的GMAW熔積成形溫度場及殘余應(yīng)力的影響，采用紅外熱像儀對附加電磁場前后的成形過程溫度場分布情況及變化規(guī)律實時監(jiān)測，并利用X射線衍射儀測量了成形件表面殘余應(yīng)力。結(jié)果表明：添加高頻振蕩磁場之后，成形件表面產(chǎn)生感應(yīng)熱，促使成形件表面溫度場各溫度區(qū)域范圍增大，冷卻速度降低，成形件表面的縱向和橫向殘余應(yīng)力均減小，一定程度上改善了成形件的性能。Zhang Yuming等人[15]對基于GMAW的快速成形工藝的切片分層方法和成形精度控制進行了初步的研究。研究表明，采用好的堆積路徑可以提高成形精度；在焊道的始端和末端，通過控制焊接電流和焊接速度，可以控制成形形狀；熔滴過渡形式是影響成形質(zhì)量的重要因素，低熱輸入、平穩(wěn)的熔滴過渡能促進良好的成形。

1.2　基于GTAW的快速成形技術(shù)

相比基于GMAW工藝的快速成形技術(shù)，基于GTAW工藝的快速成形技術(shù)具有熱輸入量較小、稀釋率低、易于控制和成形過程穩(wěn)定的優(yōu)點，但是其也有缺點，如成形效率較低、鎢極承載電流有限、焊絲與鎢極的前后搭配限制成形軌跡等[16]。

美國南衛(wèi)理公會大學(xué)Kovacevic R等人[17]開發(fā)了基于GTAW的金屬零件直接成形系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括焊接電源、六軸焊接機器人、CNC(Computer Numerical Control)機床、脈動送絲機構(gòu)、焊炬等。其中焊接電流和送絲機構(gòu)的步進電機采用同一控制器控制，因此可以實現(xiàn)脈動送絲頻率與焊接電流同步，通過該方法能夠更好地控制熔滴的大小、過渡速率和熱輸入，以期實現(xiàn)分層制造，提高成形精度。該校的Wang Huijun等人[18]利用基于變極性氣體保護鎢極電弧焊快速成形系統(tǒng)逐層堆積了4043鋁合金零件，并分析了微觀結(jié)構(gòu)和性能。該系統(tǒng)的顯著特點是通過閉環(huán)控制系統(tǒng)保持弧長穩(wěn)定，采用CCD攝像機實時監(jiān)測弧長，再根據(jù)采集的弧長信號實時調(diào)節(jié)焊接參數(shù)，保證成形過程中弧長穩(wěn)定，因此該系統(tǒng)的成形精度較高。

南昌大學(xué)的羅勇等人[2]對TIG熔敷堆焊快速成形視覺傳感系統(tǒng)進行了研究，采用CCD作為視覺傳感系統(tǒng)，通過光學(xué)理論求得標定方法。結(jié)果表明，通過這種傳感系統(tǒng)能夠獲得清晰的熔池圖像，直觀反映TIG熔敷的焊接軌跡，便于研究人員對成形過程進行分析。該校的張華等人[19]對熔敷堆焊快速成形的數(shù)據(jù)處理技術(shù)進行了研究，提出了“造型—前處理—分層—尺寸補償—軌跡填充—熔敷加工”數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)。

1.3　基于PAW/MPAW的快速成形技術(shù)

PAW是在TIG(Tungsten Inert Gas)焊基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，TIG焊是自由電弧，而PAW是壓縮電弧，能量密度更集中，熱輸入較小，因此PAW以及熱輸入更小的MPAW(Micro-Plasma Arc Welding)工藝被應(yīng)用于快速成形中，其可以進一步提高成形精度。

Mirahmadi A等人[20]利用數(shù)值分析方法研究了以金屬粉末為原材料的等離子弧焊快速成形的傳熱，對粉末涂層外表面的熱量分布情況進行了分析。結(jié)果表明，粉末層頂部半球的溫度要高于底部半球，具有一定的溫度梯度，而且其在頸部的生長深度要大于粉末床的生長深度。

西安交通大學(xué)的胡曉東等人[21]設(shè)計了基于MPAW的金屬零件直接成形系統(tǒng)，由于在逐層堆積過程中，電弧持續(xù)的熱輸入會造成熔融金屬流淌，繼而使得焊后收縮變形，因此該系統(tǒng)采用了跟隨式水冷方式，其具有實時反饋功能。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的徐家富等人[22-24]建立了焊接機器人脈沖等離子焊接快速成形系統(tǒng)，研究分析了脈沖電流、占空比、送絲速度、焊接速度等工藝參數(shù)對焊道寬高比的影響規(guī)律。通過建立焊道間搭接模型與層間堆積模型，得出了搭接率和層間高度的計算公式。結(jié)果表明，單道軌跡寬高比應(yīng)選擇5～7，再計算得出合適的層間高度，并需采取逐層遞減峰值電流和增設(shè)冷卻系統(tǒng)等工藝措施控制熱輸入以保持層間高度穩(wěn)定。該團隊還制備了Inconel625合金的薄壁和塊體試樣，如圖2所示，結(jié)合紅外測溫和有限元模擬等手段研究了工藝參數(shù)、沉積方式、沉積路徑以及熱處理方式對成形組織和性能的影響，以及固溶溫度對Inconel625合金組織的影響。

圖2　等離子弧焊快速成形Inconel625合金試樣Fig.2　Inconel625 alloy specimens rapidly formed by plasma arc welding

華中科技大學(xué)李嘯等人[25]對等離子熔積成形進行了數(shù)值模擬研究，通過三維傳熱學(xué)理論與彈塑性理論，與等離子熔積成形實際特點相結(jié)合，建立了等離子熔積成形過程三維有限元模型，分析成形過程溫度分布及變化規(guī)律，有助于選擇合適的工藝參數(shù)。

1.4　新型焊接方法的快速成形技術(shù)

1.4.1冷金屬過渡焊接快速成形技術(shù)冷金屬過渡(CMT-Cold Metal Transfer)焊接工藝具有高熔敷效率、低熱輸入和無飛濺等特點，研究者開始將其應(yīng)用于成形制造中。冷金屬過渡指的是數(shù)字控制方式下的短電弧和焊絲的換向送絲監(jiān)控。

裝甲兵工程學(xué)院的徐濱士院士等人[26]建立了基于CMT焊接的快速成形系統(tǒng)，利用數(shù)學(xué)建模的方法得出基于CMT焊接快速成形中最優(yōu)搭接率和層間高度，接著進行了試驗驗證和結(jié)果分析。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的姜云祿[27]也對基于CMT焊接快速成形技術(shù)進行了研究，通過所建立的成形系統(tǒng)制造了船用三葉螺旋槳，證明了焊接快速成形技術(shù)可以應(yīng)用于復(fù)雜零件的制造。

1.4.2超聲波增材成形技術(shù)美國研發(fā)的超聲波增材制造裝備已發(fā)展到第三代產(chǎn)品，該裝備的工作空間已達到(1 800×1 800×900)mm3，而且加工的材料也從最初的低強度鋁合金擴展到了Cu、316不銹鋼、Ni和Ti-6-4合金等[28-30]。

研究者們對同種金屬、異種金屬以及功能復(fù)合材料的超聲波焊接快速成形工藝優(yōu)化方面進行了研究。英國拉夫堡大學(xué)Kong[31]對Al3003成形件進行了分析，得出了超聲波增材成形Al3003的最優(yōu)工藝參數(shù)。美國俄亥俄州州立大學(xué)Hopkins等人[32]利用超聲波增材成形技術(shù)成功制備Ti/Al復(fù)合材料，并分析了其力學(xué)性能和界面特征，確定了最優(yōu)工藝參數(shù)。英國拉夫堡大學(xué)的R.J.Friel等人[33]采用超聲波增材成形技術(shù)成功在鋁基體中植入單向光學(xué)纖維。Yang等人[34]利用超聲波增材成形技術(shù)在疊層Al/Al材料層間成功嵌入了SiC纖維。

北京工業(yè)大學(xué)李小明等人[35]對超聲波金屬焊接快速成形技術(shù)進行了研究，表明該技術(shù)可以實現(xiàn)復(fù)雜模具與零件的小批量制造，是一種低成本、高質(zhì)量的金屬零件制造技術(shù)。南昌大學(xué)的張義福等人[36]建立了超聲波的材料和摩擦模型等計算分析模型，在ABAQUS軟件上進行了超聲波焊接下SiC光纖傳感器埋入6061鋁合金基體的熱-機耦合有限元分析。

1.4.3攪拌摩擦焊增材成形技術(shù)攪拌摩擦焊也是一種母材不熔化的固相連接技術(shù)，對于鋁、鎂等輕合金[37]的增材制造具有較大的優(yōu)勢。因其不存在金屬的熔化和凝固，也就不會出現(xiàn)冶金缺陷[38-39]；再結(jié)晶晶粒尺寸細小，有利于成形件的綜合力學(xué)性能[40-41]。

王忻凱等人[42]采用無傾角攪拌頭，研究了行進速度、水平增材間距和增材方向等工藝參數(shù)對鋁合金攪拌摩擦增材成形的影響，并對成形控制進行了研究[43]，提出的攪拌摩擦增材規(guī)劃和計算方法，能夠較準確地對總增材寬度Dr、增材高度Hr和增材率ξ進行預(yù)測控制。

綜上所述，焊接快速成形所采用的焊接方法，是朝著降低熱輸入方向發(fā)展，甚至引進了固相焊接技術(shù)。為了提高焊接快速成形件的表面精度和機械性能，國內(nèi)外一些研究者對前期模型切片處理以及掃描路徑規(guī)劃算法進行了研究，更多的是結(jié)合了焊接快速成形系統(tǒng)和成形工藝兩方面進行研究，即在成形系統(tǒng)增加焊接機器人、脈動送絲機構(gòu)、紅外熱像儀、CCD視覺檢測跟蹤系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和CNC系統(tǒng)等設(shè)備，通過不斷完善成形系統(tǒng)，實現(xiàn)對成形過程的精確控制和修整后處理，另一方面研究了焊接參數(shù)、掃描速度、掃描軌跡、冷卻時間和焊道寬高比等工藝參數(shù)對成形件表面精度、組織結(jié)構(gòu)及機械性能的影響規(guī)律，從而優(yōu)化成形工藝參數(shù)，而計算機數(shù)值模擬方法成為了常用的輔助研究手段。

2　焊接快速成形存在的問題及思考

雖然焊接快速成形技術(shù)發(fā)展前景很大，具有生產(chǎn)效率高、成本低和柔性好等優(yōu)點，但是仍然存在一些問題，表現(xiàn)在成形材料及送給方式、成形組織和性能控制以及成形精度控制等方面。

2.1　成形材料及送給方式

焊接快速成形的原材料主要有粉材和絲材兩類。目前使用的粉材主要是用于金屬零件表面修復(fù)的金屬粉末，而對于成形專用粉末研究不足。專用粉末需滿足粒徑細小、粒度分布較窄、球形度高、流動性好和松緊密度高等要求。目前應(yīng)用的絲材直徑多集中在0.8～1.6 mm之間，直徑在0.8 mm以下的專用焊絲仍有待研究解決。對于不同焊接工藝及不同材質(zhì)的零件所需的專用焊絲也需要大力研究。

采用先鋪粉再用電弧熔積的成形方法，容易出現(xiàn)電弧吹粉的問題。對此，可以考慮改變粉材的加入方式，如在粉中加入粘結(jié)劑，按一定比例配成黏稠狀物質(zhì)，再將其逐層鋪送。例如將這種方法用于金屬零件表面修復(fù)時，把修復(fù)材料配成黏稠物質(zhì)，然后將其抹在所需修復(fù)表面缺陷處，再利用電弧熔積完成修復(fù)。

2.2　成形組織和性能控制

焊接快速成形過程中焊接熱源不斷輸入熱量，成形層溫度場復(fù)雜多變，屬于多重加熱重熔過程，因此成形件的組織及性能變化復(fù)雜。堆積金屬不僅受基板的約束，同時熔覆金屬層間相互約束，成形件殘余應(yīng)力分布變得復(fù)雜，容易出現(xiàn)融合不良、組織性能達不到要求等缺陷。

成形過程熱輸入的控制方法除了通過改進焊接工藝及焊槍結(jié)構(gòu)、降低焊接熱輸入量外，也可利用計算機數(shù)值模擬方法研究焊接工藝參數(shù)，定義熱分析物理參數(shù)，建立堆積模型，正確劃分網(wǎng)格，加載合適的熱源，求解得到溫度場分布云圖及溫度隨高度和時間變化曲線，分析焊接參數(shù)、掃描路徑和層間間隔時間等工藝參數(shù)對溫度場分布的影響規(guī)律。設(shè)計合適的冷卻系統(tǒng)，調(diào)控溫度場分布，通過視覺傳感系統(tǒng)實時監(jiān)測熔池圖像及弧長信息，并反饋給主控系統(tǒng)，以此調(diào)整工藝參數(shù)。

可以考慮采用一些新的焊接方法來降低焊接熱輸入。如冷金屬過渡焊接工藝，采用短路過渡，當(dāng)起弧后，焊接電流開始降低，直至弧滅，焊絲回抽有助于熔滴過渡，熔滴從焊絲端脫落后，電弧再次點燃。通過這種冷-熱交替降低焊接熱輸入。

對于由于合金成分造成組織性能達不到要求的問題可采用合金化處理方法，除了通過粉材本身實現(xiàn)合金化外可考慮通過外加成分實現(xiàn)。如將某種粉材與造渣、脫氧、合金化、粘結(jié)等物質(zhì)按一定比例配成新的粉材，再將其逐層鋪送。

在某些特定場合可用一種替代焊接電弧熱源的方法，如鋁熱劑法。鋁熱劑是鋁粉和難熔金屬氧化物的混合物，可用于引發(fā)一些需要高溫的反應(yīng)。將鋁熱劑及其他材料配成黏稠物質(zhì)，可以低溫點燃并用于熔積成形。

2.3　成形精度控制

焊接快速成形過程包括建立模型、切片分層處理和逐層熔覆堆積等一系列過程，各環(huán)節(jié)不可避免地產(chǎn)生誤差，影響成形精度。影響成形精度的主要因素包括以下幾種：①切片分層處理誤差；②焊接快速成形過程中熱量不斷累積，可能造成熔融金屬流淌，導(dǎo)致臺階效應(yīng)，影響成形精度；③通過逐層熔覆堆積的成形方法會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，這使成形件翹曲變形，變形的累積會嚴重影響成形精度；④在成形焊接過程中，每次起弧和滅弧都會產(chǎn)生焊瘤，繼而降低成形精度。

成形精度的提高除了通過加強對前期模型處理的精確性研究外，可考慮通過有限元模擬優(yōu)化工藝參數(shù)，選擇溫度場和應(yīng)力場直接耦合或間接耦合，求解得到應(yīng)力場分布云圖，分析工藝參數(shù)對應(yīng)力場分布的影響規(guī)律，進而降低殘余應(yīng)力。

可以考慮降低成形所用絲材直徑，從而減小熔滴尺寸，降低熱輸入，提高成形尺寸精度和表面精度。此外，也可以考慮采用復(fù)合加熱的方法，如在500 ℃的環(huán)境中進行焊接成形，降低了電弧溫度使用要求，金屬材料容易達到熔點，熱源離開后，只冷卻到500 ℃，成形部分間溫差縮小，可以有效避免應(yīng)力產(chǎn)生，成形后再進行整體去應(yīng)力熱處理。

對于起弧和滅弧時會產(chǎn)生焊瘤，影響成形形狀的問題，可以考慮對影響起弧和收弧的焊接參數(shù)進行合理控制，并選用好的堆積路徑。

3　結(jié)束語

焊接快速成形作為一種新型的金屬零件制造技術(shù)，有巨大潛力和廣闊的發(fā)展前景，然而該技術(shù)發(fā)展時間較短，尚未成熟，仍存在較多的亟待解決的問題。隨著國內(nèi)外研究的不斷深入，以及飛速發(fā)展的計算機技術(shù)的應(yīng)用，焊接快速成形技術(shù)在未來會日益成熟，并將在醫(yī)療、工業(yè)、國防、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

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