電弧增材制造工藝方法、增材焊料 及后處理的研究現(xiàn)狀

張兆棟 何勝斌 王奇鵬

摘要：電弧增材制造以其沉積效率高、增材速度快的特點，在大型構件的增材制造中有很大優(yōu)勢，進一步發(fā)揮增材制造優(yōu)勢是未來重要研究趨勢。介紹了電弧增材制造的工藝方法，對比不同方法的沉積效率和性能特點，指出激光誘導電弧增材和熱絲增材可以顯著提高增材效率;總結了添加劑和焊料對沉積件性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)層間添加劑有助于提高沉積件的力學性能以及減少缺陷。此外由于各種工件需適用于不同的工作環(huán)境，新型增材制造焊絲的開發(fā)研究也十分重要;介紹了增材后處理對沉積件性能的影響。發(fā)現(xiàn)增材后軋制、熱處理等后處理工藝對電弧增材制造性能的提升效果明顯。

關鍵詞：電弧增材制造;工藝方法;增材焊料;熱處理;軋制

0? ? 前言

增材制造技術是近10年來新興的先進制造技術，推動了大規(guī)模制造向個性化制造轉變[1]。增材制造采用逐層堆積模式生產(chǎn)所需零件，其生產(chǎn)周期短、材料利用率高、生產(chǎn)成本低、材料性能好。增材制造在航空航天、生物醫(yī)學、汽車船舶等方面具有廣闊的應用前景。

增材制造技術以熱源不同可分為激光熔覆增材、電子束增材和電弧增材。電弧增材制造（Wire and Arc Additive Manufacturing，WAAM）是以焊接電弧為熱源，根據(jù)零件的實體模型規(guī)劃增材路徑，通過送絲系統(tǒng)，在機械臂等位移設備下帶動焊槍，按規(guī)劃好的路徑自下而上逐步成形。其沉積效率高，工件尺寸不受限制，相比于激光和電子束增材制造優(yōu)勢明顯。電弧增材制造的設備多為焊接用設備，主要是焊機、焊槍和送絲設備等，相比于激光增材和電子束增材設備價格更加便宜，操作更加簡便，且更易保養(yǎng)。電弧增材制造所需的焊絲相對激光熔敷增材使用的金屬粉末更易制備。而且電弧增材制造技術可成形的材料種類廣泛，對激光反射率高的鋁合金、銅合金等也可通過電弧增材制造成形[2]。與傳統(tǒng)減材制造相比，電弧增材制造可以縮短40%～

60%的成形時間，且材料利用率高，后續(xù)機加工時間亦可縮短15%～20%[3]。電弧增材制造技術的不斷發(fā)展使大型復雜結構件的增材制造成為可能，相比于傳統(tǒng)減材加工方法，電弧增材制造可節(jié)約78%的原材料成本[4]。

然而電弧增材制造并不完善，還有許多的缺點，例如熱輸入大，工件表面氧化嚴重，金屬液流淌導致成形精度差等。為了使電弧增材制造技術更加成熟，國內外學者嘗試了多種方法來提高電弧增材工件的表面質量和工藝性能。文中從提高增材沉積效率和工藝性能的角度在工藝方法、增材焊料和增材后處理三個方面進行綜述。

1 工藝方法對電弧增材沉積效率和性能的影響

以電弧為熱源的增材制造方法，工藝的選擇對增材的沉積效率與性能有很大的影響。早在1920年，BAKER[5]采用熔化極電弧焊堆積出了一個工藝品，申請了金屬沉積成形的專利。國內外眾多學者對增材制造工藝方法進行了大量研究，主要集中在通過優(yōu)化增材制造工藝方法，提高增材沉積效率和成形性能。目前常用的方法有TIG、MIG、CMT、熱絲電弧和激光-電弧增材。文中以鋼和鋁合金的增材為例，比較了不同工藝方法對沉積效率和性能的影響。

TIG增材具有電弧穩(wěn)定性高、飛濺小的特點，MIG增材具有不需要鎢極且增材速度快的特點，因此在增材制造中應用廣泛。張兆棟[6]等研究了不同路徑對TIG增材316不銹鋼的性能影響，增材過程沉積效率為2.7 kg/h，實驗發(fā)現(xiàn)平行往復的增材路徑下沉積焊道與拉伸載荷方向一致，有類似軋制過程纖維強化的作用，性能最好，抗拉強度為601 MPa。張述泉[7]等人研究了不同功率對MIG電弧增材316L不銹鋼的性能影響，發(fā)現(xiàn)功率增大，σ相增加，性能下降，在功率為3 763 W時性能最好，沉積效率為3.2 kg/h，抗拉強度為579 MPa。趙康鵬[8]等人研究了5356鋁合金TIG電弧增材件的組織性能，增材過程沉積效率為0.6 kg/h，實驗發(fā)現(xiàn)增材件垂直于水平方向的強度無明顯差異，抗拉強度為274 MPa，但垂直方向的沉積層與結合層交替出現(xiàn)，結合層由于存在氣孔和縮孔等缺陷，使垂直方向的斷后伸長率低于水平方向。HORGAR A[9]等對5183鋁合金MIG增材的組織性能進行了研究，試驗過程沉積效率為1.8 kg/h，獲得的抗拉強度為293 MPa，強度、硬度和延展性都有不錯的結果，但依然存在裂紋和氣孔的問題。

為了提升TIG及MIG增材的沉積效率和性能，熱絲TIG及CMT技術被應用于電弧熔絲增材制造中。熱絲TIG增材采用熱絲電流對焊絲進行提前預熱，從而提高了沉積效率，但熱輸入增大，性能下降;CMT技術采用焊絲送給回抽與熔滴過渡相結合的方法，改善了MIG增材飛濺大的問題，增加了參數(shù)可調范圍，提高送絲速度可提升沉積效率;降低了增材熱輸入，細化晶粒，提升性能。張兆棟等采用熱絲TIG為熱源，對316不銹鋼進行增材，由于熱絲電流對焊絲有預熱作用，可使焊絲更容易熔化，可提高堆積效率，達4.8 kg/h，但加入熱絲電流，熱輸入增大，晶粒更加粗大，性能相對TIG稍有下降，抗拉強度為578 MPa。WANG C[10]等對316L不銹鋼進行CMT增材研究，沉積效率為4.1 kg/h，由于沿垂直增材方向存在細長的奧氏體晶粒，使得垂直增材方向性能最好，抗拉強度為577.5 MPa。Zhang Chen[11]等研究了Al-6Mg合金在不同CMT模式下的增材效果，沉積效率為1.1 kg/h，發(fā)現(xiàn)變極性CMT可周期性改變電磁力大小和方向，對熔池產(chǎn)生強烈震蕩攪拌作用，細化晶粒，性能最好，抗拉強度為333 MPa。Liu Changmen[12]等研究了2024鋁合金的熱絲TIG增材，沉積效率為0.6 kg/h，熱絲電流的加入可以有效清理焊絲表面的氫污染物，減小增材過程中的氣孔生成率，但熱絲電流過大會對焊接電流產(chǎn)生磁偏吹的影響，產(chǎn)生反效果，氣孔隨熱絲電流變化如圖1所示?？估瓘姸葹?99 MPa。

近年來，一些新型電弧復合增材制造技術得到研究，主要包括激光與電弧復合增材制造、超聲波輔助電弧增材制造等。

激光與電弧復合增材制造分為激光-電弧復合增材和激光誘導電弧增材。激光-電弧復合熱源以大功率激光為主，利用電弧的橋接能力提升激光對高反射率材料的適應性;激光誘導電弧增材是以電弧為主，采用低功率激光誘導電弧使電弧能量密度提升的復合熱源，其電弧收縮效果如圖2所示，收縮后的電弧具有高速穩(wěn)定性，可以提升增材效率;同時激光對熔池具有攪拌作用，可以細化組織、提升性能。Wu Dongjiang[13]等通過激光-TIG電弧復合增材2319鋁合金，發(fā)現(xiàn)熔池分上方的電弧區(qū)和下方的激光區(qū)，由于激光的攪拌作用，激光區(qū)的晶粒更加細小，元素分布更加均勻，抗拉強度達301.5 MPa。曾慶文[14]等采用激光誘導MIG電弧增材2319鋁合金，激光使電弧能量集中，沉積效率增加，為1.5 kg/h，并且高頻激光對熔池有攪拌作用，可以破碎枝晶，細化晶粒，提高性能。沉積抗拉強度為268 MPa，與不加激光相比，提高了23.07%。張兆棟采用激光誘導TIG電弧增材316不銹鋼，沉積效率達3.8 kg/h，抗拉強度為644 MPa，與不加激光相比，沉積效率和抗拉強度分別提升了40.74%和7.15%。

超聲波輔助增材是在增材熔池后方產(chǎn)生超聲沖擊，由于超聲波在金屬塑性流動與變形過程中具有穿透能力強、定點聚焦精確的特點，可以在熔池中產(chǎn)生聲流，有效改善液態(tài)金屬的流動性，從而使未凝固的增材區(qū)域產(chǎn)生碾壓變形、細化晶粒的效果，可有效改善增材組織性能，因此在輔助電弧增材中有廣泛應用。

許明方[15]等人研究了超聲功率對超聲輔助CMT增材TC4鈦合金組織性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著超聲功率增大，晶粒破碎效果越來越明顯，但功率過大會使基板發(fā)生振動，出現(xiàn)電弧失穩(wěn)現(xiàn)象，超聲功率在600 W時效果最好，粗大的柱狀晶被破碎成等軸晶。Fan Qingkai[16]等人研究了超聲波輔助對TIG增材AlCoCrFeNi高熵合金組織性能的影響，由于超聲波降低了液態(tài)金屬的流變抗力，提高了金屬的流動性。發(fā)現(xiàn)在600 W超聲頻率的超聲波作用下，平均晶粒細化了70%，顯微硬度提高了20%。組織性能得到顯著提升。

不同增材方式下不同鋼的沉積效率與性能如表1所示。不同增材方式下不同鋁合金的沉積效率與性能如表2所示。

2 焊料和層間添加劑對電弧增材性能的影響

焊料的成分可以對增材結果產(chǎn)生直接影響，現(xiàn)在進行電弧增材多采用焊接中使用的焊絲，由于電弧增材制造和焊接成形過程不同，焊接使用的絲材不一定適用于增材制造，在增材過程中容易出現(xiàn)元素燒損，于是部分學者開發(fā)設計了金屬粉末藥芯焊絲應用于增材制造，通過調整藥芯焊絲中的合金元素成分含量，可以獲得不同的性能。

THOMAS K[33]等為改善傳統(tǒng)2系、7系鋁合金焊絲對熱裂紋的敏感性，開發(fā)了新型的Al-Zn-Mg-Cu合金焊絲并進行了增材制造，觀察到晶粒細小、很少有拉長的晶粒并沒有出現(xiàn)熱裂紋，熱處理后在摩托車活塞的制造中得到應用。毛展召等[34]為解決當前模具無法生產(chǎn)大型構件且服役時間短的問題，以5CrNiMo為基礎設計了金屬粉末藥芯焊絲用于增材制造新材料模具，以“ 5CrNiMo+打底層+過渡層+硬面層 ”的結構進行增材，過程成形穩(wěn)定，飛濺小，無咬邊等缺陷，性能良好，各相鄰材料界面處熔合區(qū)無裂紋等缺陷，界面結合良好。

在增材制造層間添加合金元素涂層也可有效改善增材過程中的晶粒生長方式，可以改善晶粒尺寸，提高性能。

KENNEDY J R[35]等人在Ti-6Al-4V增材層間添加ZrN和TiN涂層，分析氮元素對增材的影響，發(fā)現(xiàn)氮可作為新的形核點，晶粒尺寸得到有效細化，柱狀晶消除，等軸晶增加，有效降低各向異性。BERMINGHAM M J等[36]在Ti-6Al-4V的增材過程中，層間添加微量硼涂料，發(fā)現(xiàn)微量硼元素的加入能夠產(chǎn)生足夠的成分過冷，限制晶粒生長，達到晶粒細化的作用，在組織生長過程中，硼可有效降低各向異性，減少孿晶效應。硼元素對孿晶影響如圖3所示。

國內外學者在焊料方面的研究統(tǒng)計結果如表3所示。由表3可知，對焊料的優(yōu)化研究在鋁合金中應用較多，這是因為鋁合金中元素種類較多，影響較大。研究方法多是在增材制造層間添加涂層，這種方法較為簡單，對細化晶粒、減少織構、提高工作各向異性、提高性能有著良好的效果。分析發(fā)現(xiàn)，在鋁、鈦等合金的增材制造中，硼是一種非常優(yōu)秀的晶粒生長抑制元素。此外隨著增材制造技術的發(fā)展，開發(fā)生產(chǎn)適用于增材工藝的焊絲也會變得越來越重要。

3 后處理對電弧增材組織性能的影響

常用的增材后處理方法包括熱處理和軋制。由于增材制造是個熱循環(huán)疊加累積的過程，金屬的熔化與冷卻不平衡導致增材件產(chǎn)生殘余應力、變形以及組織各向異性等缺陷，這些缺陷難以通過改變焊接材料或改變工藝的方法去除。因此，增材完成后需進行熱處理來強化工件或消除殘余缺陷。但應用于鑄造的熱處理不完全適用于電弧增材制造，國內外眾多學者對電弧增材制造熱處理進行了研究。

在雙相鋼的增材制造中，增材件中的相成分難以控制，Zhang Yiqi等[41]使用JmatPro軟件計算得到在1 218～1 383 ℃之間熱處理1 h可將奧氏體與鐵素體相控制到1∶1，通過增材制造試驗生成的雙相不銹鋼中奧氏體含量達66%，經(jīng)過1 300 ℃熱處理后奧氏體含量降至45%。在2219鋁合金增材中，由于增材過程中的多次熱循環(huán)，銅的飽和度降低，強化相的量增加且尺寸較大，降低了沉淀強化效果，從而使增材試樣機械性能下降。Zhou Yinghui等[42]通過對2219鋁合金增材試樣進行熱處理，提高銅的飽和度，將強化相溶解到基體中，隨后通過時效獲得均勻細小的強化相，強化相形貌隨熱處理溫度變化如圖4所示，研究發(fā)現(xiàn)540 ℃熱處理45 min后在180 ℃保溫6 h的熱處理效果最佳。

對于鋁合金中的氣孔問題，熱處理可以減少氣孔數(shù)量，但氣孔會聚集長大，對于增材過程產(chǎn)生的殘余應力，用熱處理的方法解決需要較長的時間。國內外學者多以軋制的方法解決氣孔與殘余應力問題，在增材的焊槍后跟隨前進一個軋輥，以達到隨焊隨軋的效果。軋制可細化晶粒，關閉氣孔缺陷，有效降低內應力。COLEGROVE P A等[43]對軋輥形狀進行了研究，對比分析了如圖5所示的有沉積層相似形狀的“ 成形 ”輥與可防止側壁變形的“ 凹槽 ”輥的軋制效果。發(fā)現(xiàn)“ 凹槽 ”輥可更好地降低殘余應力與變形，并能有效防止側壁變形，后加工過程只需要很少的工作量，提高生產(chǎn)效率，軋輥可每四層進行一次軋制，簡化工藝步驟。但根據(jù)工件尺寸大小不同，“ 凹槽 ”輥凹槽深度需進行改變，并且“ 凹槽 ”輥在復雜路徑工件的堆積中難以應用。

此外還有許多學者通過超聲波噴丸、層間錘擊以及激光沖擊等方法進行后處理消除增材應力，改善組織，均取得不錯的效果。統(tǒng)計國內外增材后處理方面的研究結果如表4所示。

4 電弧增材制造的應用

近年來，隨著國內外學者對電弧增材制造技術研究的深入，電弧增材制造技術的理論基礎已經(jīng)十分完善，由理論向實際發(fā)展的過程也是電弧增材制造技術發(fā)展的重要部分，電弧增材制造在實際應用中已有許多成熟案例。

國外學者MAYUR P[56]等采用脈沖GTAW對鋁合金進行增材制造，堆積完成近似成形件后進行后加工和T6熱處理，得到滿足性能要求的零件，加工前后如圖6所示。

WILLIAMS S W[57]等與飛機研究協(xié)會合作采用CMT電弧增材制造了用于風洞試驗的高強鋼機翼模型，該模型特點為直到機翼中心都是空心結構。采用電弧增材技術可減少設計時間，盡快獲得風洞試驗數(shù)據(jù)。沉積件加工至0.05 mm精度如圖7所示。

國內學者華中科技大學宋守亮[58]等設計了新型藥芯焊絲，采用CMT增材制造技術制造了應用于大型艦船的艉軸架，堆積過程電弧穩(wěn)定，飛濺率低，成型尺寸精良，實際尺寸與目標尺寸誤差在1 mm內。成形件如圖8所示。

華中科技大學高煉玲[59]等用CMT技術增材制造了運載火箭的鋁合金過渡端框，用于助推模塊的及與及連接，屬于大型結構件。堆積過程分為三部分進行堆積，第一部分為底部的支撐圓環(huán)，第二部分為多個角度與間隔相同的環(huán)形組，第三部分為多組加強筋的加強筋部分。模擬圖與增材成形件如圖9所示，其中圖9a為模擬整體圖，圖9b、9c、9d為從下到上堆積的三部分成形圖。

大連理工大學李旭文等人將激光誘導TIG電弧增材制造方法用于復雜不銹鋼管道支管的制造中，采用激光誘導TIG電弧方法在不銹鋼管道上堆積不銹鋼支管，得到了成形良好、精度高成形件，制造效率優(yōu)于整體鍛造的支管，制造性能優(yōu)于焊接支管。如圖10所示。

Relative space公司[61]將CMT電弧增材制造方法應用在了火箭制造中，采用CMT電弧增材制造技術生產(chǎn)了火箭燃料箱與火箭引擎，獲得的產(chǎn)品粗糙度僅增加5%～10%，極大減少了零件數(shù)量與生產(chǎn)成本。如圖11所示。

5 電弧增材制造的發(fā)展展望

增材制造技術的發(fā)展可以填補焊接與鑄造之間的產(chǎn)業(yè)空缺，其中電弧增材制造技術的優(yōu)勢在生產(chǎn)應用中顯而易見。電弧增材制造的應用前景十分廣闊，但電弧增材制造技術仍在發(fā)展中，依然存在遼闊的發(fā)展空間。

（1）工藝優(yōu)化。傳統(tǒng)電弧增材能量利用率低，熱輸入高，需要開發(fā)具有集中電弧、提高電弧能量利用率和穩(wěn)定性效果的電弧增材工藝，從而提高電弧增材效率，改善沉積層精度。

（2）焊料優(yōu)化。焊接使用的焊絲在電弧增材制造中不能完全適用，需要進一步研究元素在增材過程中對晶粒生長的影響，開發(fā)適用于電弧增材制造的焊絲，可通過調節(jié)合金元素成分以適用不同的增材需求，獲得提高增材性能的效果。

（3）后處理優(yōu)化。增材過程是連續(xù)加熱且不可控的熱循環(huán)過程，組織生長方式不同于鑄造過程，需要開發(fā)適用于電弧增材的熱處理方法，以改善增材組織不均勻的問題。軋制對增材形貌、性能和殘余應力有顯著的改善作用，應設計適用于電弧增材的簡易可行的軋輥和軋制工藝。此外超聲波噴丸、激光沖擊等方法對改善增材性能有明顯效果，也需進行進一步研究。

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