基于CMT技術(shù)的鋁合金電弧增材制造研究現(xiàn)狀

（南昌航空大學(xué) 焊接工程系，南昌 330063）

增材制造技術(shù)（俗稱 3D打印），是根據(jù) CAD/CAM 設(shè)計(jì)，基于離散堆積原理，采用逐層累積的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)，和傳統(tǒng)的切削加工技術(shù)不同，是一種將材料累積的制造方法。隨著航天航空等重要技術(shù)領(lǐng)域?qū)?、昂貴金屬零件的精度、性能、研制成本和可靠性的要求不斷提高，增材制造技術(shù)因其無(wú)需傳統(tǒng)加工模具的特點(diǎn)，在近凈成形金屬零件方面體現(xiàn)出巨大潛力和優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。作為增材制造中的研究重點(diǎn)，金屬增材制造因其具有極高的制造效率、材料利用率以及良好的成形性能等優(yōu)勢(shì)，從一開(kāi)始便被應(yīng)用于航空航天等高端制造領(lǐng)域的高性能金屬材料和稀有金屬材料的零部件制造。

1 電弧增材制造技術(shù)

電弧增材制造技術(shù)的本質(zhì)是將氣體保護(hù)焊的方法優(yōu)化后應(yīng)用到增材制造領(lǐng)域。該技術(shù)將金屬焊絲作為增材制造材料，并以電弧作為焊接電源，增材時(shí)電弧產(chǎn)生的熱量將焊絲熔化，然后按照設(shè)定的堆積路徑在選定的基板上自下而上層層堆積，直到形成零件。電弧增材制造技術(shù)成形的零件由全焊縫金屬組成，致密度高且化學(xué)成分均勻，與鍛造件相比具有韌性好、強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)。由于零件多次加熱，經(jīng)歷了多次回火和淬火，較傳統(tǒng)的鍛造技術(shù)具有一定先進(jìn)性。德國(guó)科學(xué)家于1983年率先提出了以金屬焊絲為原料，采取埋弧焊接的方式逐層堆積制造大尺寸金屬零件的概念。到 20世紀(jì) 90年代，得益于數(shù)控技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的極速發(fā)展，由于數(shù)字化控制手段結(jié)合電弧增材制造技術(shù)在成形大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件上展現(xiàn)出得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越多的科研機(jī)構(gòu)相繼開(kāi)始并專注于電弧增材制造技術(shù)的開(kāi)發(fā)工作?？颂m菲爾德大學(xué)于2007年開(kāi)展了電弧增材制造技術(shù)的研究工作，并首次將該技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)件的快速制造。如今，隨著損傷容限理念的應(yīng)用對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性和可靠性提出了新的要求，其結(jié)構(gòu)件逐漸向智能化、大型化、精密化發(fā)展。在此背景下，電弧增材制造技術(shù)因其在大尺寸精密結(jié)構(gòu)件成形上具有其他增材技術(shù)難以企及的制造成本優(yōu)勢(shì)而成為研究的熱點(diǎn)。電弧增材制造因以電弧為載能束，成形速度快，適用于大尺寸復(fù)雜構(gòu)件低成本、高效快速近凈成形。與以激光為熱源的增材制造技術(shù)相比，電弧增材制造技術(shù)對(duì)金屬材質(zhì)的敏感性較低，可以成形如鋁合金、銅合金等對(duì)激光反射率高的材質(zhì)。與電子束增材制造技術(shù)相比，電弧增材制造技術(shù)具有制造零件尺寸不受真空室尺寸限制的優(yōu)點(diǎn)。基于上述分析，電弧增材制造技術(shù)目前在金屬零件直接制造領(lǐng)域前景廣闊。

2 鋁合金電弧增材制造技術(shù)

當(dāng)前增材制造技術(shù)的金屬材料主要集中在航空航天用鈦合金、高溫合金、高強(qiáng)鋼以及鋁合金等材料體系。鋁合金因其具有較高的比強(qiáng)度、比模量和良好的耐腐蝕、抗疲勞等性能，是航空航天領(lǐng)域如工字大梁、機(jī)翼大梁、整體帶筋壁板等結(jié)構(gòu)極為重要的輕金屬材料。隨著航空航天、國(guó)防軍工高精尖技術(shù)的不斷革新以及結(jié)構(gòu)件研制周期的進(jìn)一步縮短，尺寸高精化、形狀復(fù)雜化成為了鋁合金結(jié)構(gòu)件發(fā)展的方向，這對(duì)復(fù)雜精密鋁合金構(gòu)件的制造技術(shù)提出了新的要求，要求制造技術(shù)需具備對(duì)復(fù)雜精密鋁合金構(gòu)件研發(fā)生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)可靠性。傳統(tǒng)的制造技術(shù)如壓鑄、機(jī)加工等顯然難以滿足上述要求，因此，鋁合金的增材制造技術(shù)成為了研究的重點(diǎn)。鋁合金增材制造技術(shù)按熱源類(lèi)型可分為激光、電子束以及電弧。過(guò)去的研究中，以激光為代表的高能束熱源已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了鋁合金、鈦合金構(gòu)件的增材制造，工藝已較為成熟且相關(guān)產(chǎn)品已應(yīng)用于能源動(dòng)力、航空航天等高精尖技術(shù)領(lǐng)域核心部件的生產(chǎn)制造。但同時(shí)以高能束為熱源效率低、成本高，對(duì)于鋁合金材料而言，其對(duì)激光會(huì)產(chǎn)生折射，這導(dǎo)致激光吸收率低且成形速度慢，以電子束為熱源需要真空環(huán)境，這限制了其在大型零件成形上的應(yīng)用。而電弧增材制造技術(shù)成形的零件化學(xué)成分均勻且致密度高，具有效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于鋁合金的增材制造，因而近些年來(lái)受到了廣泛的關(guān)注。針對(duì)鋁合金的電弧增材制造工藝方法主要有鎢極惰性氣體保護(hù)焊接(TIG)、熔化極惰性氣體保護(hù)焊接(MIG)、冷金屬過(guò)渡技術(shù)(CMT)等。傳統(tǒng)的熔化極氣體保護(hù)焊(MIG/MAG)是世界上目前應(yīng)用最普遍的焊接工藝，但是其熱輸入量高、飛濺大的特點(diǎn)使其運(yùn)用于鋁合金增材制造時(shí)，容易出現(xiàn)諸多缺陷，而冷金屬過(guò)渡技術(shù)將這些問(wèn)題迎刃而解。

3 CMT（冷金屬過(guò)渡）技術(shù)

焊接過(guò)程中，許多材料因?yàn)闊o(wú)法承受持續(xù)的高熱量輸入而出現(xiàn)飛濺、焊穿等情況。為了避免這些情況發(fā)生，降低焊接過(guò)程中的熱輸入勢(shì)在必行，CMT（冷金屬過(guò)渡）技術(shù)因此應(yīng)運(yùn)而生。CMT（冷金屬過(guò)渡）技術(shù)通過(guò)將熔滴過(guò)渡和送絲運(yùn)動(dòng)數(shù)字化協(xié)調(diào)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)控方式下的短電弧和焊絲的換向送絲監(jiān)控，控制送絲機(jī)構(gòu)按照送絲控制系統(tǒng)的指令以70 Hz的頻率控制著脈沖式的焊絲輸送同時(shí)調(diào)控電源輸出波形。當(dāng)熔滴與熔池發(fā)生短路時(shí)，熔滴在無(wú)電流的狀態(tài)下過(guò)渡。熔滴過(guò)渡時(shí)電弧熄滅，焊接電流幾乎降至為0，從而大大降低焊接熱輸入，熔滴過(guò)渡示意圖見(jiàn)圖 1。CMT技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)焊渣飛濺，而且有焊接過(guò)程中熱輸入量小、電弧更加穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)。奧地利福尼斯公司基于短路過(guò)渡的原理開(kāi)發(fā)了 CMT技術(shù)，改善了傳統(tǒng)MIG/MAG焊的熔滴過(guò)渡方式，為其應(yīng)用拓展了新的領(lǐng)域。

圖1 熔滴過(guò)渡示意圖Fig.1 Schematic of material transfer

4 鋁合金CMT增材制造技術(shù)研究現(xiàn)狀

CMT技術(shù)一經(jīng)提出就受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)焊渣飛濺，這減少了焊后清理工作，而且弧長(zhǎng)控制較為精確，焊接過(guò)程中熱輸入量小、電弧更加穩(wěn)定。其工藝特點(diǎn)非常適合低熔點(diǎn)金屬如鋁合金的增材制造研究，運(yùn)用CMT焊接技術(shù)來(lái)焊接鋁合金具有重要意義和作用，因此，鋁合金CMT電弧增材制造技術(shù)一直是近幾年國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)，鋁合金CMT增材制造成形系統(tǒng)見(jiàn)圖2。

圖2 鋁合金CMT增材制造系統(tǒng)Fig.2 Aluminium alloy CMT additive manufacturing system

4.1 鋁合金CMT增材制造控形研究

利用CMT實(shí)現(xiàn)增材制造的先決條件是可以連續(xù)一致地逐層堆焊，故要求成形過(guò)程中各單層的尺寸精度具有良好穩(wěn)定的重復(fù)再現(xiàn)性，但由于電弧增材制造過(guò)程中存在液態(tài)熔池，這使成形件的成形尺寸和邊緣形態(tài)控制變得更加困難。由于鋁合金構(gòu)件成形表面質(zhì)量的高要求，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)在成形工藝優(yōu)化以及成形件的尺寸精度控制等方面，開(kāi)展了較多的研究工作并獲得了成形質(zhì)量?jī)?yōu)良的CMT增材鋁合金構(gòu)件。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的姜云祿[1]研究了工藝參數(shù)對(duì)5356鋁合金CMT單層、柱狀、多層成形形貌的影響，發(fā)現(xiàn)除了焊接電流、焊接速度、CMT工藝（CMT+Pulse、CMT+Advance）之外，預(yù)熱溫度也對(duì)成形形貌有重要影響，預(yù)熱可以解決小參數(shù)條件下焊縫成形不均勻的問(wèn)題。姜云祿等作為國(guó)內(nèi)最早一批研究鋁合金CMT增材制造的學(xué)者之一，為鋁合金CMT增材制造的研究方向奠定基調(diào)。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)的郭亞軒等[2]研究了工藝參數(shù)對(duì)5B06鋁合金CMT增材制造成形質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)在 CMT+Pulse模式下成形金屬與基板之間的潤(rùn)濕連接效果最好，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了該模式下成形質(zhì)量較好的成形電流和成形速度區(qū)間，另外發(fā)現(xiàn)在多層單道成形時(shí)，適當(dāng)?shù)膶娱g冷卻時(shí)間可以控制金屬表面氧化并提高成形表面精度，但是筆者認(rèn)為層間冷卻時(shí)間較短時(shí)焊道表面溫度較高，空氣中的水分難以附著在焊道表面且熔池高溫停留時(shí)間較長(zhǎng)，這樣有利于氫氣充分逸出即降低成形件的氣孔率。沈陽(yáng)大學(xué)的李子炎[3]基于CMT進(jìn)行了5083鋁合金的3D成形實(shí)驗(yàn)，不僅研究了焊接速度、焊接電流對(duì)CMT成形的影響，還少見(jiàn)地研究了焊接電壓對(duì)CMT成形的影響，發(fā)現(xiàn)電弧長(zhǎng)度和熔寬都隨著焊接電壓的升高而增大，但除此之外大部分研究只是驗(yàn)證了前人的實(shí)驗(yàn)成果并加以轉(zhuǎn)述。A. Gomez Ortega等[4]為了提高鋁合金CMT增材制造成形件的尺寸精度，采用基于霍爾效應(yīng)的電流傳感器記錄了增材過(guò)程中的所有電流和電壓波形去更好地掌握它們對(duì)幾何形狀的影響規(guī)律，以進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)；還使用優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行了堆積層數(shù)為100層的鋁合金CMT增材制造實(shí)驗(yàn)，得到的100層鋁合金CMT薄壁構(gòu)件見(jiàn)圖3，并獲得了由標(biāo)準(zhǔn)偏差估算的寬度精度，發(fā)現(xiàn)由于增材多層薄壁時(shí)的熱積累，需要逐步增加焊接速度以保持恒定的層寬。由于零件的精加工需求，A.Gomez Ortega的研究進(jìn)一步提高了CMT增材制造的尺寸精度，并為其實(shí)際應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)和理論指導(dǎo)。英國(guó)的Kazanas[5]開(kāi)展了鋁合金CMT技術(shù)增材制造零件幾何成形能力的基礎(chǔ)研究，為提高電弧增材制造技術(shù)的堆積成形能力，改變了焊槍與基板相垂直的傳統(tǒng)增材方式，實(shí)現(xiàn)了各角度薄壁構(gòu)件的成形。

圖3 100層鋁合金CMT薄壁構(gòu)件Fig.3 Aluminium wall built with 100 layers deposited

4.2 鋁合金CMT增材制造控性研究

4.2.1 鋁合金CMT增材制造組織性能研究

由于CMT增材制造本身逐層累加的特點(diǎn)決定了增材過(guò)程中已成形構(gòu)件會(huì)受到移動(dòng)熱源往復(fù)熱作用，成形過(guò)程中熱量積聚較高，因而增材制造金屬材料所呈現(xiàn)出的組織特征與常見(jiàn)的鑄態(tài)金屬、鍛態(tài)金屬存在著一定的差異。另外層與層之間不同的熱歷程導(dǎo)致成形件的組織、性能可能存在差異。鋁合金CMT增材成形件均呈現(xiàn)出特定的宏觀層狀組織，原始沉積狀態(tài)下，一些相關(guān)研究已經(jīng)證實(shí)鋁合金CMT增材成形構(gòu)件均呈現(xiàn)出顯著的宏觀層狀分布組織特征，基本與成形過(guò)程中逐層堆積的“層”相對(duì)應(yīng)，但關(guān)于鋁合金CMT各層成形組織演變特征的研究尚無(wú)相關(guān)報(bào)道，多是作定性描述與分析。

南京理工大學(xué)的張瑞[6]研究了送絲速度、焊接速度、保護(hù)氣成分、層間冷卻時(shí)間對(duì)5356鋁合金CMT成形件顯微組織、拉伸性能和斷口的影響。他發(fā)現(xiàn)組織中的析出相隨著送絲速度、焊接速度的增加而增加，并確定了上述各參數(shù)下抗拉強(qiáng)度的最高值。東北大學(xué)的顧江龍等[7]研究了層間軋制對(duì)鋁合金 CMT增材制造構(gòu)件組織的影響以及力學(xué)性能的改善機(jī)理。北京航空航天大學(xué)的從保強(qiáng)[8]考察了 CMT-PADV和HPVP-GTAW兩種電弧用于2319, 4043, 5087, 5356等鋁合金WAAM薄壁構(gòu)件在原始沉積狀態(tài)下的拉伸力學(xué)性能。結(jié)果表明，原始狀態(tài)下鋁合金電弧增材制造構(gòu)件強(qiáng)度普遍較低，但均表現(xiàn)出較好的塑性。

目前針對(duì) CMT乃至電弧增材制造的成形件組織、性能的研究工作僅處于分析組織、描述性能規(guī)律的階段，缺乏大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)以獲取共性規(guī)律并進(jìn)行深入的理論及機(jī)理分析。如何深化機(jī)理分析并有效提高鋁合金CMT構(gòu)件的力學(xué)性能將成為后續(xù)研究工作的重點(diǎn)之一。

4.2.2 鋁合金CMT增材制造熱處理研究

對(duì)于鋁合金等材料，CMT增材制造狀態(tài)下得到的是非平衡組織，并或多或少地伴有晶粒定向生長(zhǎng)、晶粒粗大以及成分偏析等現(xiàn)象。這些組織特征將不同程度地影響增材制造金屬的力學(xué)性能。另外，鋁合金等金屬材料在增材制造過(guò)程中不均勻溫度場(chǎng)的作用下容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力，而熱處理是目前改良這一不足的有效手段之一，近年來(lái)，世界各國(guó)的學(xué)者們認(rèn)識(shí)到了熱處理對(duì)于鋁合金CMT增材制造的重要性，陸續(xù)展開(kāi)了相關(guān)研究。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的劉一博等[9]分析了不同工藝和熱處理?xiàng)l件對(duì)基于CMT技術(shù)的鋁合金成形件力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)焊后熱處理能夠顯著提高成形件垂直成形方向上的抗拉強(qiáng)度，同時(shí)也能略微提高平行成形方向上的抗拉強(qiáng)度。成形件經(jīng)固溶處理后，垂直方向上的斷口韌窩區(qū)域較大，體現(xiàn)出明顯的塑性變形特征。東北大學(xué)的顧江龍等[10]研究了層間軋制和焊后T6熱處理對(duì)2319鋁合金CMT成形件的強(qiáng)化效果及機(jī)理，發(fā)現(xiàn)與層間軋制相比，熱處理對(duì)于成形件的強(qiáng)度提升更大，另外軋制合金中的高密度位錯(cuò)和細(xì)小晶粒取向偏差較小是拉伸性能提高的主要原因。

4.2.3 鋁合金交流CMT增材制造組織性能研究

CMT Advanced，即交流CMT。CMT Advanced技術(shù)是Fronius公司2010年推出的一種焊接時(shí)可變極性的技術(shù)，是將交流MIG/MAG技術(shù)優(yōu)化后，運(yùn)用于CMT技術(shù)上以實(shí)現(xiàn)交流的冷金屬過(guò)渡技術(shù)。與傳統(tǒng)的MIG/MAG焊相比，其熔覆效率更高、熱輸入量更低。目前關(guān)于交流CMT的研究主要局限于該技術(shù)在焊接過(guò)程中熔滴過(guò)渡行為和電弧的研究，對(duì)于其在鋁合金增材制造乃至增材制造過(guò)程中的研究還極為欠缺。武漢大學(xué)的張晨等[11]使用具有不同電弧模式的交流 CMT電弧電源，增材制造了低孔隙率的 Al-6Mg薄壁部件，并研究了其微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)相比于傳統(tǒng)CMT模式，交流CMT模式下成形件的抗拉強(qiáng)度更高，這是因?yàn)樵撃Ｊ娇梢愿行У厥怪鶢罹虻容S晶轉(zhuǎn)變并使晶粒細(xì)化。

4.2.4 鋁合金CMT增材制造氣孔問(wèn)題研究

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于鋁合金CMT增材制造的研究方向大都側(cè)重于探尋不同工藝參數(shù)對(duì)成形件的表面形貌、力學(xué)性能、顯微組織的影響。CMT同傳統(tǒng)的熔化極氣體保護(hù)焊(GMAW)相比，金屬過(guò)渡溫度更低，氣體外逸時(shí)間短，更容易形成氣孔。眾所周知，氣孔是鋁合金構(gòu)件的主要缺陷，會(huì)降低構(gòu)件的致密性和耐腐蝕性，使構(gòu)件易產(chǎn)生裂紋，從而降低接頭的力學(xué)性能并嚴(yán)重影響和制約構(gòu)件質(zhì)量，因此如何有效控制甚至消除氣孔缺陷是提高鋁合金CMT電弧增材制造構(gòu)件的關(guān)鍵，但是目前對(duì)氣孔問(wèn)題的研究還不夠充分。

北京航空航天大學(xué)的從寶強(qiáng)等[12]研究了銅鋁合金冷金屬過(guò)渡熱輸入過(guò)程中對(duì)焊縫幾何結(jié)構(gòu)和氣孔率的影響，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)CMT工藝相比，CMT-PADV工藝因?yàn)橛兄^低的熱輸入量和較高的氧氣清潔度，提高了焊接熔化面積，通過(guò)調(diào)節(jié)到合適的熱輸入可以有效降低氣孔甚至完全消除氣孔。從保強(qiáng)等還分析了不同純氬保護(hù)氣體流量對(duì) Al-Cu合金電弧增材制造氣孔的影響規(guī)律，結(jié)果表明提高純氬保護(hù)氣體流量有助于減少氣孔。南京理工大學(xué)的張瑞[13]采用5356鋁合金焊絲在Ar+He二元混合氣體保護(hù)下，進(jìn)行CMT機(jī)器人自動(dòng)化增材制造實(shí)驗(yàn)，研究不同 Ar+He混合氣比例對(duì)成形試樣尺寸精度、力學(xué)性能和氣孔率的影響，發(fā)現(xiàn)氦氣比例達(dá)到75%后，在完全消除0.2 mm以上的宏觀氣孔的同時(shí)也可以消除微觀氣孔。東北大學(xué)的Bai等[14]先通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)熱處理后CMT增材制造鋁合金成形件中的氣孔數(shù)量增加了3倍，并且氣孔的平均直徑也會(huì)增加，之后通過(guò)實(shí)驗(yàn)闡明了熱處理后成形件內(nèi)顯微氣孔的演變過(guò)程，并揭示了次生氣孔的機(jī)理是奧斯瓦爾德熟化效應(yīng)以及氫和空隙之間的遷移和結(jié)合。東北大學(xué)的顧江龍等[15]研究了層間軋制對(duì)2319和5087鋁合金CMT成形件氣孔率的影響，發(fā)現(xiàn)在45 kN的軋制載荷下，消除了直徑大于5 μm的孔。華中科技大學(xué)的徐振杰[16]基于 CMT平臺(tái)和Mechelle5000型光譜儀，搭建了電弧增材制造光譜采集系統(tǒng)，并采用該平臺(tái)分別研究了5B06鋁合金CMT增材制造過(guò)程中的輻射光譜特性以及氫線強(qiáng)度與增材制造過(guò)程中氣孔的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)焊接電流、層間上升溫度與光譜規(guī)律具有較強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了光譜診斷法檢測(cè)增材制造的氣孔缺陷是可行的。徐振杰首創(chuàng)性地將離散小波扣除背景法應(yīng)用于電弧加工光譜檢測(cè)數(shù)據(jù)處理中，這提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確度和精度，并為高質(zhì)量鋁合金CMT增材制造構(gòu)件提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)和理論指導(dǎo)。

5 基于CMT技術(shù)的鋁合金電弧增材制造應(yīng)用實(shí)例

目前對(duì)于鋁合金CMT增材制造的領(lǐng)域研究?jī)?nèi)容大都局限于工藝參數(shù)研究，但使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的三維行走機(jī)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀零件的增材制造。由于針對(duì)鋁合金的CMT增材制造技術(shù)尚處于半起步階段，如何控制尺寸偏差、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀零件的制造并將其運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，是CMT增材制造技術(shù)的核心技術(shù)瓶頸。一些學(xué)者正在攻關(guān)這一核心瓶頸。

北京工業(yè)大學(xué)的陳樹(shù)君等[17]將工業(yè)機(jī)器人離線編程軟件和CMT技術(shù)相結(jié)合，搭建了鋁合金零件增材制造系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了梅花形鋁合金零件的增材制造，得到的梅花形鋁合金零件見(jiàn)圖4。類(lèi)似的，南京航空航天大學(xué)的卜星等[18]利用相似的系統(tǒng)通過(guò)二次回歸設(shè)計(jì)建立了焊道尺寸的預(yù)測(cè)模型，用以控制成形零件的精度，并通過(guò)薄壁鋁合金花瓶零件CMT成形實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了預(yù)測(cè)模型的可靠性及成形系統(tǒng)的可行性。南京航空航天大學(xué)的沈泳華[19]基于 CMT技術(shù)和Mastercam軟件，搭建了電弧增材制造成形系統(tǒng)并通過(guò)了實(shí)體鋁合金零件的成形，得到的花瓶形鋁合金零件見(jiàn)圖5，驗(yàn)證了基于Mastercam的路徑生成方式的有效性及路徑規(guī)劃結(jié)果的可行性。

增材制造過(guò)程中，由于熱循環(huán)作用，成形件內(nèi)不同部位的熱耗散條件差異導(dǎo)致的應(yīng)力分布特征也是與其性能密切相關(guān)的一個(gè)急需深入研究的方向，那么構(gòu)建描述CMT成形過(guò)程中溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的演變模型，以預(yù)測(cè)成形件殘余應(yīng)力水平并優(yōu)化CMT成形路徑，是這一角度的關(guān)鍵及難點(diǎn)。已經(jīng)有學(xué)者模擬了不銹鋼等材料CMT成形過(guò)程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)模型，但針對(duì)鋁合金的該方向研究尚處于空白狀態(tài)。

圖4 梅花形鋁合金零件Fig.4 Plum blossom shape of Aluminium alloy component

圖5 花瓶形鋁合金零件Fig.5 Vase shape of Aluminium alloy component

6 結(jié)論與展望

基于CMT技術(shù)的鋁合金電弧增材制造是熔焊技術(shù)數(shù)字化、智能化過(guò)程中的又一次重大突破。該技術(shù)以電弧為載能束，熱輸入低，成形速度快，相對(duì)于激光、電子束增材制造，在大尺寸復(fù)雜構(gòu)件的低成本制造方面具有很大優(yōu)勢(shì)，特別適用于航空航天等工業(yè)領(lǐng)域鋁合金大型框架、整體筋板加強(qiáng)筋和加強(qiáng)肋等構(gòu)件的增材制造，但是CMT增材制造技術(shù)中一些亟待解決的突出問(wèn)題制約了鋁合金產(chǎn)品的推廣應(yīng)用。

1)電弧增材制造過(guò)程中熔池體積較大，增材過(guò)程中影響電弧穩(wěn)定性的因素較多，熔池作為一個(gè)不穩(wěn)定的系統(tǒng)給尺寸精度的控制增加難度。熔覆金屬的體積、焊接熱輸入、單層焊道的宏觀尺寸的精確計(jì)算同樣非常困難，除此之外，增材過(guò)程中由于熱輸入還會(huì)使基板變形，給尺寸的精度控制帶來(lái)了更多難題，因此如何控制尺寸精度、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀零件的制造，并將其運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中是CMT增材制造技術(shù)的核心技術(shù)瓶頸。

2)氣孔是鋁合金焊接時(shí)容易出現(xiàn)的焊接缺陷，并且是制約鋁合金CMT增材制造零件性能的重要因素。其存在降低了構(gòu)件的致密性和耐腐蝕性，減小了接頭的有效承載面積，是構(gòu)件的裂紋源之一，從而降低接頭的強(qiáng)度和塑性。而CMT同傳統(tǒng)的熔化極氣體保護(hù)焊相比金屬過(guò)渡溫度更低，氣體外逸時(shí)間短，更容易形成氣孔。目前針對(duì)鋁合金CMT增材制造氣孔問(wèn)題的研究已經(jīng)取得了不錯(cuò)的成果，但缺乏共識(shí)性的實(shí)驗(yàn)成果和深層次的理論及機(jī)理分析，因此在今后對(duì)于氣孔問(wèn)題的研究需要進(jìn)一步深化以徹底消除氣孔缺陷。

3)電弧增材制造鋁合金尚沒(méi)有足夠的數(shù)據(jù)證明溫度場(chǎng)的凝固過(guò)程，電弧熔化焊絲所形成的熔池是動(dòng)態(tài)且不均勻的熔化過(guò)程，這導(dǎo)致成形構(gòu)件的表面粗糙度較高且需要后續(xù)加工才能夠使用。對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的后續(xù)機(jī)加工，是研究者們面臨的一大難題。

隨著研究的進(jìn)一步深入，在保障零件的力學(xué)性能、成形精度的同時(shí)開(kāi)拓最優(yōu)的工藝方法研制鋁合金增材制造結(jié)構(gòu)件，基于CMT技術(shù)的鋁合金電弧增材制造在直接制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用指日可待。