電弧增材制造成形規(guī)律、組織演變及殘余應(yīng)力的研究現(xiàn)狀

耿汝偉，杜 軍，魏正英

(西安交通大學(xué)，機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049)

0 引 言

金屬增材制造技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的具有重大意義的先進(jìn)機(jī)械零件制造技術(shù)，根據(jù)其所用熱源種類(lèi)可分為激光增材制造、電弧增材制造和電子束增材制造。其中，電弧增材制造(Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM)是以焊接電弧為熱源，根據(jù)零件三維實(shí)體所建立的CAD模型進(jìn)行分層切片，通過(guò)送絲系統(tǒng)，在成形軟件的控制下逐點(diǎn)堆積，以一定成形路徑自下而上地制造出所需零件的先進(jìn)數(shù)字化制造技術(shù)。其形成的熔池大，沉積效率高，后續(xù)材料切削量少，相比于激光和電子束增材制造優(yōu)勢(shì)明顯。在設(shè)備方面，電弧增材制造用熱源主要由熔化極惰性氣體保護(hù)焊[1-2]、鎢極惰性氣體保護(hù)焊[3-4]以及等離子體焊接電源等產(chǎn)生，相對(duì)于電子束、激光增材制造，其在價(jià)格和系統(tǒng)簡(jiǎn)易程度上具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。電弧增材制造不需要特殊的成形環(huán)境，可通過(guò)機(jī)械臂和導(dǎo)軌擴(kuò)展成形區(qū)域，構(gòu)件尺寸不受成形倉(cāng)限制，適用于制造大型金屬構(gòu)件。在成形材料方面，金屬絲材生產(chǎn)周期短、價(jià)格低廉，相對(duì)于粉末更易于制備，而且電弧增材制造技術(shù)可成形的材料種類(lèi)廣泛，可成形對(duì)激光反射率高的鋁合金、銅合金等。

與傳統(tǒng)減材制造相比，電弧增材制造可以縮短40%～60%的成形時(shí)間，且材料利用率高，后續(xù)機(jī)加工時(shí)間亦可縮短15%～20%[5]。電弧增材制造技術(shù)取得的突破性進(jìn)展使得飛機(jī)復(fù)雜部件如起落架肋板等的增材制造成為可能，該方法與傳統(tǒng)減材加工方法相比可節(jié)約78%左右的原材料成本[6]。然而目前，電弧增材制造工藝尚未發(fā)展成熟，若要使之成為工藝穩(wěn)定、質(zhì)量可靠的增材制造技術(shù)，則需對(duì)其各個(gè)方面進(jìn)行深入研究，包括設(shè)備搭建、工藝參數(shù)優(yōu)化、路徑規(guī)劃、在線(xiàn)監(jiān)控與反饋、顯微組織、殘余應(yīng)力與構(gòu)件變形等[7]。作者介紹了電弧增材制造技術(shù)的發(fā)展史，從增材制造“控形控性”[8]的角度，對(duì)電弧增材制造的成形規(guī)律、顯微組織演變機(jī)制、殘余應(yīng)力與變形的數(shù)值模擬方法進(jìn)行了綜述，最后總結(jié)了工程應(yīng)用中控制應(yīng)力變形的幾種方法。

1 電弧增材制造的發(fā)展史

盡管人們廣泛認(rèn)為電弧增材制造技術(shù)僅有一二十年的歷史，但實(shí)際上基于焊接技術(shù)的近凈成形概念早在約100年前就已經(jīng)形成。焊接技術(shù)出現(xiàn)后，很多發(fā)明家利用其制造出不同形狀的構(gòu)件，電弧增材制造的理念開(kāi)始萌芽。早在1920年，BAKER[9]利用熔化極電弧通過(guò)預(yù)設(shè)的螺旋形路徑成形了一個(gè)裝飾品，并申請(qǐng)了金屬疊加沉積成形的專(zhuān)利。隨后，UJIIE[10]通過(guò)焊接填充材料沉積的方法成形了圓形橫截面的壓力容器，并在接下來(lái)的時(shí)間里致力于提高沉積效率，研制出一種三絲電極氣體保護(hù)焊技術(shù)。1983年，KUSSMAUL等[11]基于埋弧焊接原理逐層堆積(沉積效率達(dá)80 kg·h-1)制造了一個(gè)質(zhì)量為79 t的金屬壓力容器，并研究了其抗拉性能和抗沖擊行為，但該成形方式所得壓力容器通常會(huì)產(chǎn)生裂紋。由于當(dāng)時(shí)殘余應(yīng)力和冶金行為對(duì)構(gòu)件力學(xué)性能影響的研究還十分落后，焊接成形的發(fā)展受到阻礙。

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用重新振興了三維焊接技術(shù)。DICKENS等[12]通過(guò)在線(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)編程，采用機(jī)器控制的氣體保護(hù)焊工藝逐層沉積成形了無(wú)支撐的墻體結(jié)構(gòu)。RIBEIRO等[13]開(kāi)發(fā)了一個(gè)離線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)，其可以實(shí)現(xiàn)CAD模型的分層切片，然后按照預(yù)定路徑逐層沉積成所需的形狀。1993年，PRINZ等為新型沉積成形設(shè)備申請(qǐng)了專(zhuān)利，該設(shè)備通過(guò)CNC銑床進(jìn)行焊接成形控制。20世紀(jì)90年代，英國(guó)克萊菲爾德大學(xué)焊接工程研究中心(Welding Engineering Research Centre)為英國(guó)Roll-Royce飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)公司開(kāi)發(fā)了成形沉積制造(SMD)技術(shù)，以取代傳統(tǒng)鑄造成形工藝，并研究了SMD成形鈦合金、高溫合金及鋁合金等材料的性能?；诖?，新興電弧增材制造工藝的理論和工程應(yīng)用得到飛速發(fā)展，自動(dòng)化設(shè)備研發(fā)、軟件編制、沉積成形機(jī)理及殘余應(yīng)力控制等得到廣泛關(guān)注。

2 工藝參數(shù)對(duì)沉積層形貌的影響及研究方法

金屬增材制造成形件應(yīng)滿(mǎn)足尺寸精度、公差等形狀要求，即控形。一般通過(guò)試驗(yàn)直接研究工藝參數(shù)對(duì)沉積層形貌的影響。DINOVITZER等[14]研究發(fā)現(xiàn)，電弧增材制造工藝參數(shù)中，電流和基板移動(dòng)速度(成形速度)對(duì)沉積層形貌的影響最大，兩者均可控且調(diào)節(jié)最頻繁。在其他參數(shù)不變的情況下，增大電流可以提高熱輸入和熔池溫度，使高溫熔體得以充分鋪展，凝固后沉積層的高度減小、寬度增大；加快基板移動(dòng)速度，高溫熔體由于熱輸入減小來(lái)不及充分鋪展，沉積層寬度減小，在送絲速率不變的情況下，單位時(shí)間內(nèi)沉積的原材料減少，層高也相應(yīng)減小。此外，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的數(shù)值模擬也是研究沉積層形貌的有效手段。OU等[15]通過(guò)三維流動(dòng)傳熱模型計(jì)算電弧增材制造成形過(guò)程中的溫度場(chǎng)和熱流場(chǎng)，亦得出上述類(lèi)似結(jié)果。DU等[16]研究了變極性非熔化極惰性氣體保護(hù)焊中焊接速度和脈沖頻率對(duì)熔池內(nèi)熱流場(chǎng)和沉積層形貌的影響，發(fā)現(xiàn)與試驗(yàn)結(jié)果相比，熔寬、熔深尺寸的模擬相對(duì)誤差不超過(guò)7%，該研究對(duì)于相同電源的電弧增材制造過(guò)程同樣具有參考意義。

利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法雖然可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)沉積層的幾何參數(shù)，但在多層多道沉積或工藝參數(shù)變量較多的情況下，其計(jì)算量巨大，耗時(shí)長(zhǎng)，實(shí)用性較差。KUMAR等[17]利用遺傳算法建立了沉積層形貌(層高、層寬和橫截面形貌)的預(yù)測(cè)模型，可以準(zhǔn)確且快速地預(yù)測(cè)不同工藝參數(shù)(包括電流、電壓、送絲速率、氣體流量等)下的沉積層形貌。DING等[18]建立了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，將送絲速率和成形速度作為輸入條件來(lái)預(yù)測(cè)單道單層沉積時(shí)的層高和層寬。遺傳算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法可有效減少工作量，極大地節(jié)約時(shí)間和人工成本。

在電弧增材成形過(guò)程中，熱輸入也是影響沉積層形貌的重要參數(shù)之一。熱輸入過(guò)高會(huì)導(dǎo)致沉積層間溫度不斷升高、層高減小、寬度增大，最終導(dǎo)致尾部塌陷。在鈦合金電弧增材制造過(guò)程中，當(dāng)層間溫度由100 ℃升至300 ℃時(shí)，沉積層高度減小11.7%，寬度增加12.2%[19]。OGINO等[20]研究發(fā)現(xiàn)，每道次成形后冷卻一定時(shí)間，嚴(yán)格控制層間溫度，可以明顯改善尾部塌陷問(wèn)題。

3 電弧增材制造件的顯微組織演變機(jī)制

電弧增材制造件除滿(mǎn)足尺寸要求外，從控性的角度來(lái)說(shuō)，還要滿(mǎn)足力學(xué)性能及疲勞壽命等要求。金屬構(gòu)件的宏觀力學(xué)性能在很大程度上取決于其微觀組織結(jié)構(gòu)。在電弧增材制造過(guò)程中，可以通過(guò)調(diào)控電流、成形速度、基板預(yù)熱溫度和后續(xù)熱處理等方法改變構(gòu)件內(nèi)部顯微組織的取向、大小和形態(tài)等，從而獲得理想的力學(xué)性能。因此，首先要明確電弧增材制造件的顯微組織演變機(jī)制，在此基礎(chǔ)上改變成形工藝參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)從顯微組織到宏觀力學(xué)性能的可控制造[21]。顯微組織研究方法主要有數(shù)值模擬和金相試驗(yàn)觀測(cè)兩種。電弧增材制造可成形材料種類(lèi)廣泛且變量繁多，若通過(guò)控制工藝參數(shù)對(duì)不同材料逐一進(jìn)行試驗(yàn)研究，將會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間和精力。數(shù)值模擬結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證則是一種相對(duì)理想的研究方法。

熔池內(nèi)的溫度梯度G和凝固速率R直接決定著顯微組織形態(tài)。當(dāng)G/R由大變小時(shí)，凝固組織將從平面晶向柱狀晶和等軸晶轉(zhuǎn)變。晶粒尺寸則與冷卻速率及G，R的乘積有關(guān)。OU等[15]通過(guò)建立三維流動(dòng)傳熱模型，研究了電弧增材制造各工藝參數(shù)對(duì)溫度梯度、冷卻速率等凝固參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)增大電弧功率或減小基板移動(dòng)速度會(huì)減緩冷卻凝固過(guò)程；而送絲速率和絲材直徑不改變系統(tǒng)熱輸入，對(duì)熔池內(nèi)的傳熱凝固無(wú)明顯影響。AYARKWA等[22]研究了峰值電流時(shí)間對(duì)沉積層形貌、晶粒尺寸和構(gòu)件力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)在電弧增材制造過(guò)程中，提高峰值電流時(shí)間會(huì)導(dǎo)致晶粒粗化，但對(duì)構(gòu)件最終力學(xué)性能影響不大。

上述關(guān)于電弧增材制造凝固組織的定性分析并不能滿(mǎn)足工程應(yīng)用需求，因此一種定量模擬凝固過(guò)程中枝晶生長(zhǎng)的方法——相場(chǎng)法受到越來(lái)越多的關(guān)注，其通常與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)或有限元方法結(jié)合使用，以便獲得電弧增材成形過(guò)程的初始凝固參數(shù)。WANG等[23]通過(guò)相場(chǎng)法與有限元法研究了焊接熔池內(nèi)不同位置處的顯微組織，模擬結(jié)果與試驗(yàn)觀測(cè)到的一次枝晶臂間距相一致。HAN等[24]利用有限元及元胞自動(dòng)機(jī)法模擬電弧熔池內(nèi)枝晶外延形核與枝晶生長(zhǎng)狀況，研究了焊接速度對(duì)顯微組織的影響，結(jié)果表明提高焊接速度可以有效細(xì)化晶粒。FARZADI等[25]利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)建立電弧熔池流動(dòng)傳熱模型，選取熔池內(nèi)垂直于熔合線(xiàn)邊界并與焊接方向平行以及呈45°角的兩個(gè)位置，提取其溫度梯度、凝固速率等參數(shù)，然后用相場(chǎng)法模擬了焊接速度為3 mm·s-1和8 mm·s-1時(shí)兩位置處的柱狀晶生長(zhǎng)情況，結(jié)果表明：提高焊接速度可以降低一次晶臂間距，使凝固組織更加均勻細(xì)??；在相同焊接速度下，熔池中心線(xiàn)上冷卻速率最大，一次晶臂間距較小；由于電弧增材成形經(jīng)歷快速非平衡冷卻過(guò)程，顯微偏析現(xiàn)象相對(duì)于鑄造過(guò)程減輕許多，這也是電弧增材制造件力學(xué)性能普遍優(yōu)于鑄件的原因之一，但其仍會(huì)存在溶質(zhì)元素分布不均勻的現(xiàn)象。電弧增材制造TC4合金構(gòu)件熔合線(xiàn)附近存在偏析層，溶質(zhì)元素發(fā)生晶內(nèi)偏析，其中鐵、釩元素偏析明顯，鋁元素的偏析亦可觀察到[26]。4325鋁合金電弧增材制造件也存在類(lèi)似現(xiàn)象，溶質(zhì)元素主要在晶界處富集，鋁元素則多分布在枝晶內(nèi)部[27]。

目前鮮有關(guān)于電弧增材制造工藝參數(shù)對(duì)顯微偏析影響的報(bào)道，工藝參數(shù)對(duì)溶質(zhì)分布的影響實(shí)質(zhì)上是通過(guò)冷卻速率施加的。WANG等[28]研究發(fā)現(xiàn)，增大激光選區(qū)熔化掃描速度可以提高熔池冷卻速率，由此減輕顯微偏析現(xiàn)象，該研究結(jié)果可為電弧增材制造提供參考。構(gòu)件的力學(xué)性能與凝固組織有著直接的聯(lián)系。熱影響區(qū)晶粒粗大，元素偏析嚴(yán)重，一般為構(gòu)件最薄弱的部位；由于冷卻速率快，沉積層元素分布較為均勻，晶粒較細(xì)，力學(xué)性能較好。

總體來(lái)看，電弧增材制造相關(guān)研究主要集中在構(gòu)件結(jié)構(gòu)與成形策略之間的關(guān)系[29-30]，熱力學(xué)行為與凝固參數(shù)之間的關(guān)系[31]，凝固參數(shù)與顯微組織演變之間的關(guān)系[32]以及工藝參數(shù)與構(gòu)件力學(xué)性能之間的關(guān)系[33-34]等方面。而電弧增材制造工藝參數(shù)對(duì)熱力學(xué)行為、沉積層形貌、顯微組織演變的影響以及對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證方面的綜合研究仍較為有限。

4 電弧增材制造件的殘余應(yīng)力與變形

在增材制造過(guò)程中，構(gòu)件內(nèi)部經(jīng)歷快速局部加熱和冷卻過(guò)程，基板和沉積層以及各沉積層之間產(chǎn)生巨大的溫度梯度，金屬熔體凝固收縮不可避免會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變形。電弧增材制造件的殘余應(yīng)力有時(shí)甚至與其屈服強(qiáng)度相近，這直接影響到構(gòu)件的疲勞性能和服役壽命。當(dāng)局部殘余應(yīng)力高于抗拉強(qiáng)度時(shí)，材料會(huì)產(chǎn)生裂紋；當(dāng)局部殘余應(yīng)力高于屈服強(qiáng)度但低于抗拉強(qiáng)度時(shí)，材料發(fā)生塑性變形[35]。電弧增材制造件中存在多種變形形式，包括橫向和縱向收縮、彎曲變形、角變形、扭曲變形等[36]，這會(huì)影響到構(gòu)件的尺寸精度和裝配性能。變形由多重?zé)嵫h(huán)下材料的膨脹和收縮導(dǎo)致，大型薄壁構(gòu)件的變形更加明顯[37]。電弧增材制造一般用于成形大尺寸構(gòu)件，若構(gòu)件因殘余應(yīng)力過(guò)大而開(kāi)裂，則會(huì)導(dǎo)致零件報(bào)廢，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，無(wú)論是從控形還是控性的角度，都有必要對(duì)電弧增材成形過(guò)程中的應(yīng)力和變形進(jìn)行研究，通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)等方法來(lái)減小應(yīng)力，控制變形。

4.1 殘余應(yīng)力與變形的數(shù)值模擬方法

除試驗(yàn)測(cè)試外，有限元分析是研究增材制造過(guò)程中熱力耦合行為的有效方式。通過(guò)有限元建模，可以深入分析成形過(guò)程中的熱力學(xué)行為以及殘余應(yīng)力和變形的演變機(jī)制，為工藝參數(shù)優(yōu)化提供更加簡(jiǎn)便快捷的方法[38-39]。

構(gòu)件在成形過(guò)程中發(fā)生的總應(yīng)變?chǔ)舤otal[40]可以表示為

εtotal=εelastic+εplastic+εthermal+εphase

(1)

式中：εelastic為彈性應(yīng)變；εplastic為塑性應(yīng)變；εthermal為熱應(yīng)變；εphase為相變引起的應(yīng)變。

彈性應(yīng)變模型利用各向同性的胡克定律以及彈性模量和泊松比建立；塑性應(yīng)變模型通過(guò)Von Mises屈服標(biāo)準(zhǔn)、各向同性的加工硬化模型和隨溫度變化的材料力學(xué)性能獲得；熱應(yīng)變模型則利用熱膨脹系數(shù)計(jì)算得到；由相變引起的應(yīng)變?cè)谀撤N程度上是由體積變化引起的。由于電弧增材制造的加熱過(guò)程比較短暫，故不考慮蠕變的影響。DENG等[41]研究了碳鋼中馬氏體相變應(yīng)力對(duì)殘余應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)在快速冷卻過(guò)程中，面心立方(FCC)結(jié)構(gòu)的奧氏體會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方(BCC)結(jié)構(gòu)的馬氏體，相變引起的體積膨脹是相變應(yīng)力產(chǎn)生的主要因素；在低碳鋼中，由馬氏體相變導(dǎo)致的殘余應(yīng)力基本可以忽略，而在中高碳鋼中，相變對(duì)殘余應(yīng)力的影響比較明顯，是必須要考慮的因素。在電弧增材制造件中，由于材料凝固收縮，沉積層長(zhǎng)度方向上存在拉應(yīng)力，為保持平衡，基板上則產(chǎn)生壓應(yīng)力。由于基板對(duì)沉積層的束縛作用，多層沉積構(gòu)件頂部的應(yīng)力要小于構(gòu)件底部的[42]。殘余應(yīng)力對(duì)熱輸入并不敏感，當(dāng)熱輸入增大1倍時(shí)，殘余應(yīng)力減小約20%，而變形量增大2.5倍，因此要統(tǒng)籌考慮參數(shù)變化對(duì)殘余應(yīng)力和變形的影響，以更好地優(yōu)化工藝參數(shù)[43]。

熱力耦合有限元模擬方法主要包括熱彈塑性有限元法[44-45]和固有應(yīng)變法[46-47]；這兩種方法基于不同的原理，面向不同的工程實(shí)際，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，相輔相成。熱彈塑性有限元法是固有應(yīng)變法的基礎(chǔ)，其綜合考慮了材料隨溫度變化的物性參數(shù)以及固液相變和固態(tài)相變對(duì)熱力學(xué)過(guò)程的影響，研究了移動(dòng)熱源作用下溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的演變規(guī)律，可以模擬整個(gè)電弧增材制造的加熱和冷卻過(guò)程，還可以精確分析成形過(guò)程中的應(yīng)力變形，有助于理解不同成形工藝下應(yīng)力變形的形成機(jī)制和演變規(guī)律，為控制應(yīng)力變形提供理論基礎(chǔ)。由于該方法模擬了完整的加熱和冷卻過(guò)程，計(jì)算量巨大、耗時(shí)長(zhǎng)，且計(jì)算過(guò)程有明顯的幾何非線(xiàn)性和材料非線(xiàn)性特征，不易獲得收斂結(jié)果，因此僅適用于對(duì)尺寸小、形狀結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力與變形分析。此外，溫度梯度是產(chǎn)生殘余應(yīng)力的直接因素，熔池內(nèi)熔體的流動(dòng)可以降低溫度梯度，故沉積層形貌也會(huì)在一定程度上對(duì)應(yīng)力分布產(chǎn)生影響，但熱彈塑性有限元法在計(jì)算溫度場(chǎng)時(shí)忽略了不同工藝參數(shù)對(duì)沉積層形貌的影響，未考慮熔池內(nèi)流場(chǎng)的作用而導(dǎo)致誤差較大。針對(duì)上述問(wèn)題，有研究者提出將計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)法與有限元法相結(jié)合[43,48]，利用流體動(dòng)力學(xué)法充分考慮流場(chǎng)和沉積層形貌的影響，獲得準(zhǔn)確的溫度場(chǎng)，然后將溫度信息輸入到有限元模型中計(jì)算電弧增材成形過(guò)程中的應(yīng)力與變形，以減小計(jì)算誤差。但總體來(lái)說(shuō)，相關(guān)報(bào)道十分有限，這成為今后熱力耦合研究的一個(gè)重要方向。

固有應(yīng)變法適用于對(duì)大型復(fù)雜構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力與變形分析?；诠逃袘?yīng)變理論，使用線(xiàn)彈性有限元代替熱彈塑性有限元求解殘余應(yīng)力與變形，可以大幅度縮短計(jì)算時(shí)間。該方法是一種近似計(jì)算方法，需要先建立龐大且準(zhǔn)確的固有應(yīng)變數(shù)據(jù)庫(kù)；這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)由熱彈塑性有限元分析得到。

4.2 殘余應(yīng)力與變形的控制方法

基板預(yù)熱、合適的沉積輔助工藝以及后續(xù)熱處理是減小電弧增材制造件殘余應(yīng)力的3個(gè)主要方法。對(duì)基板預(yù)熱可以降低熱源作用下熔池內(nèi)的冷卻速率和溫度梯度，從而減小熱應(yīng)力，防止變形開(kāi)裂[49]。但對(duì)于大型復(fù)雜金屬構(gòu)件而言，基板加熱和構(gòu)件整體保溫難度較大，而且長(zhǎng)時(shí)間保溫會(huì)使其顯微組織發(fā)生改變，進(jìn)而影響力學(xué)性能。

超聲波沖擊是一種相對(duì)新穎的減小殘余應(yīng)力的方法，目前已作為輔助工藝運(yùn)用于增材制造中。通過(guò)對(duì)成形過(guò)程中的構(gòu)件施加頻率在2 000 Hz以上的振動(dòng)，可以細(xì)化晶粒、減少內(nèi)部孔隙及夾雜物；超聲波振動(dòng)能夠破壞樹(shù)枝晶，有助于熔體的后續(xù)補(bǔ)充，降低凝固收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力[50]。GAO等[51]研究了超聲波沖擊對(duì)焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)超聲可以使應(yīng)力分布更加均勻，對(duì)于高應(yīng)力水平區(qū)域的作用更為明顯。NING等[52]通過(guò)底部超聲輔助的方式激光近凈成形不銹鋼零件，明顯改善了其顯微組織和力學(xué)性能。國(guó)內(nèi)其他學(xué)者也進(jìn)行了類(lèi)似研究[53-57]，同樣證明了超聲輔助具有降低增材制造金屬構(gòu)件殘余應(yīng)力的作用。但超聲輔助元件一般放置在基板底側(cè)表面處，對(duì)于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬構(gòu)件而言，振動(dòng)強(qiáng)度在遠(yuǎn)離振源方向上逐漸降低，因此無(wú)法對(duì)整個(gè)零件實(shí)現(xiàn)有效的超聲波干預(yù)，極大地影響了超聲振動(dòng)的作用效果。對(duì)沉積層逐層輥壓也是能有效抑制應(yīng)力和變形的一種輔助工藝。MARTINA等[58]在電弧增材制造過(guò)程中利用滾輪對(duì)沉積層進(jìn)行輥壓，使之產(chǎn)生塑性變形來(lái)改變內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)比未輥壓成形件，其殘余應(yīng)力減小60%，變形量降低50%。

熱處理是一種消減殘余應(yīng)力的有效方式，且技術(shù)成熟，操作簡(jiǎn)便，廣泛應(yīng)用于激光增材制造和電子束增材制造中。LEUDERS等[59]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)激光選區(qū)熔化成形鈦合金構(gòu)件進(jìn)行適當(dāng)熱處理后，沿沉積層高度方向和激光掃描方向的殘余應(yīng)力均大幅降低。張霜銀等[60]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)去應(yīng)力退火后，激光選區(qū)熔化成形鈦合金構(gòu)件在平行和垂直于激光掃描方向上的殘余應(yīng)力分別減小了59.8%和72.3%。雖然熱處理對(duì)激光增材制造件的殘余應(yīng)力具有明顯改善作用，但電弧增材制造主要面向大型金屬構(gòu)件，對(duì)構(gòu)件整體進(jìn)行熱處理難度較大，因此電弧增材制造大型構(gòu)件的應(yīng)力及變形控制應(yīng)在前處理和成形過(guò)程中進(jìn)行。因?yàn)橐坏?gòu)件因應(yīng)力過(guò)大產(chǎn)生裂紋，很難通過(guò)后續(xù)措施補(bǔ)救。

5 結(jié)束語(yǔ)

電弧增材制造憑借高效率、低成本、原料易獲取等優(yōu)勢(shì)獲得越來(lái)越多的關(guān)注，成為大型構(gòu)件增材制造不可替代的一種技術(shù)。在焊接技術(shù)誕生之時(shí)，電弧增材制造的理念就開(kāi)始萌芽，從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，電弧增材制造在理論和工程應(yīng)用方面均得到迅猛發(fā)展。然而目前，電弧增材制造仍有一些問(wèn)題需要更深入的研究和探討。

(1)構(gòu)件的成形控制?？匦问请娀≡霾闹圃斓那疤幔鞴に噮?shù)尤其是電源電流和成形速度對(duì)沉積層形貌影響較大，并且能夠改變成形過(guò)程中的熱輸入，從而影響高溫熔體的鋪展?fàn)顩r，進(jìn)而影響沉積層的高度、寬度等。此外，層間溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致尾部塌陷，減少熱累積才能獲得均一穩(wěn)定的構(gòu)件。

(2)顯微組織和力學(xué)性能的主動(dòng)控制。電弧增材制造件經(jīng)歷周期性/非穩(wěn)態(tài)循環(huán)加熱和冷卻過(guò)程，不同工藝參數(shù)下，熔池不同位置的顯微組織有所差異，因此只有明確了顯微組織的形成演變機(jī)制和影響因素，才能實(shí)現(xiàn)增材制造件的宏觀、微觀一體化制造。

(3)殘余應(yīng)力與變形的控制。殘余應(yīng)力和變形是電弧增材制造中不可忽略的問(wèn)題，尤其是制造大型構(gòu)件時(shí)。熱彈塑性模型和固有應(yīng)變模型是計(jì)算應(yīng)力和變形的主要方法；有限元法具有一定局限性，其與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)結(jié)合將是未來(lái)的重要研究方向之一?；孱A(yù)熱、超聲波沖擊、層間輥壓和熱處理等方法均可以減小電弧增材制造件的殘余應(yīng)力和變形。工程應(yīng)用時(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況選擇合理的工藝和后處理方法。