电弧增材制造技术啥意思(一文了解电弧熔丝增材制造技术)

导读

电弧熔丝增材制造技术是一项适用于复杂结构的大型金属构件快速成形的技术，具有设备成本低、材料利用率高和沉积效率高等优点。基于电弧熔丝增材制造的优势，结合金属构件的成形精度、微观组织特征和力学性能等方面的研究热点，着重介绍了电弧熔丝增材制造设备、材料和工艺的研究现状。最后，对电弧熔丝增材制造亟需解决的关键技术进行总结，对电弧熔丝增材制造技术的发展方向进行展望。

电弧熔丝增材制造技术是一种采用电弧为热源，同步添加金属丝材，在程序的控制下焊接打印出金属零件的技术，按焊接工艺不同可分为熔化极气体保护焊（GMAW）、非熔化极气体保护焊（GTAW）和等离子弧焊（PAW），其相应的原理见图1。电弧熔丝增材制造对环境和金属材质不敏感，沉积效率高，丝材利用率高，整体制造周期短，生产成本低，并且可以成形对激光反射率高的铝合金和铜合金。另外，电弧熔丝增材制造的零件由全焊缝金属组成，化学成分均匀、致密度高，力学性能优于铸造件，经适当调质手段可达到锻件水平，较整体锻造零件具有强度高、韧性好的优点。

(a)熔化极气体保护焊；(b)非熔化极气体保护焊；(c)等离子弧焊

在电弧熔丝增材制造技术的发展过程中，设备是将技术转变为产品的载体，材料是产品性能的保障，工艺是产品研发和生产的基础。这三者的发展相互影响，相互促进，是电弧熔丝增材制造技术发展的重要因素。本课题对具有代表性的电弧熔丝增材制造技术研究进行总结，分析了电弧熔丝增材制造技术现存问题和难点，最后总结了一些电弧熔丝增材制造发展亟需解决的关键技术。

1电弧熔丝增材制造设备

最早的电弧熔丝增材制造技术可追溯到1925年美国的Baker申请的一项采用电弧热通过金属熔滴逐层堆积制造金属装饰品的专利，这就相当于早期的传统手工电弧熔丝增材制造设备。20世纪90年代，英国的Ribeiro等详细描述了“基于金属材料快速成形技术”的工艺过程，Spencer等将GMAW的焊枪固定在六轴机器人上，再进行零件的快速制造，这两项研究为现代自动化电弧熔丝增材制造技术的发展奠定了基础。随着电弧熔丝增材制造技术应用产品的不断开发以及高能束技术、软件技术、材料科学和机械自动化等方面的发展，电弧熔丝增材设备以最开始的手工电弧焊设备为原型逐步升级成为如今的数字化大型电弧熔丝增材设备集成平台，国内外部分WAAM设备硬件情况见表1。现在对于电弧熔丝增材制造设备的研究主要集中于硬件和软件的共同开发，以实现多功能、高效率的增材制造。

1.1电弧熔丝增材制造设备硬件的开发

电弧熔丝增材制造设备硬件的研究主要集中在增材设备的稳定性和振动特性以及设备材料的强度校核上，解决设备进行多个自由度运动时成形精度受振动干扰影响较大的问题。电弧熔丝增材制造设备硬件的发展得益于机械自动化的发展应用，各类新设备、新装置的研发将不断提高电弧熔丝增材制造过程的稳定性以及构件的成形精度。

1.2电弧熔丝增材制造设备软件的开发

电弧熔丝增材制造设备软件的研究主要集中在控制系统开发上，其中反馈调节直接影响电弧熔丝增材制造设备智能化水平和控制水平，激光视觉传感系统作为反馈调节的“眼睛”在电弧熔丝增材制造过程中发挥着重要作用是控制系统研究的热点。激光视觉传感系统的不断发展可实现全智能与数字化的监控与反馈，使得对整个电弧熔丝增材制造过程的控制更加稳定，材料成形的成功率更高，完整性更好。

对于电弧熔丝增材制造设备而言，在提高设备工作效率和增多设备功能的前提下，保证成形过程的稳定性和成形构件的质量是电弧熔丝增材制造设备进一步发展的关键。现代机械自动化技术、计算机技术和人工智能技术的发展必然会推动电弧熔丝增材制造业的发展，为进一步提高成形稳定性、成形精度和成形质量提供有力保障。

2电弧熔丝增材制造材料

电弧熔丝增材制造技术对环境和金属材质适应性高，因此该技术可适用于多种金属焊丝。目前，应用于电弧熔丝增材制造的金属丝材主要有钢、铝合金和钛合金等，各种材料在电弧熔丝增材制造中的微观结构和性能决定了成形零件质量的好坏，是电弧熔丝增材制造材料研究的热点。

2.1钢的电弧熔丝增材制造技术

钢因其较低的价格和可靠的性能已被广泛应用于电弧熔丝增材制造，钢的电弧熔丝增材制造技术研究主要涉及构件微观组织、力学性能和成形制造工艺等方面。钢的电弧熔丝增材制造技术解决了各类大型化、精密化、一体化产品传统成形工艺困难、成本高、材料利用率低、加工周期长等问题，利用电弧熔丝增材制造技术快速成形构件、制造和修复模具将成为未来的发展趋势。

2.2铝合金的电弧熔丝增材制造技术

铝合金具有密度低、比强度高、导电性好和加工性能好等特点，在电弧熔丝增材制造中的应用也颇为广泛，铝合金的电弧熔丝增材制造技术研究主要涉及丝材种类、工艺参数和辅助设备等对构件成形性能和组织性能的影响。铝合金的电弧熔丝增材制造技术面临的主要问题是气孔和热裂纹，高质量的焊丝、高品质的弧焊工艺、合理的成形策略和适用的热处理制度是铝合金电弧熔丝增材制造技术的发展方向。

2.3钛合金的电弧熔丝增材制造技术

钛合金具有密度小、耐高温、耐腐蚀等特点，现已广泛应用于航空航天和生物医学等领域，钛合金的电弧熔丝增材制造技术研究主要涉及材料微观组织、力学性能和成形规律。钛合金在电弧熔丝增材制造成形时易获得与增材方向一致的粗大柱状晶，导致构件力学性能的各向异性，且钛合金的电弧熔丝增材制造沉积效率偏低，晶粒细化的机理和提高沉积效率的方法将成为钛合金电弧熔丝增材制造技术未来的研究方向。

对于电弧熔丝增材制造材料而言，目前所使用的填充丝大多是技术成熟的焊丝，但与传统焊接技术不同的是填充丝不再为焊缝提供材料填充，而是为整个构件提供材料。填充丝中的缺陷会逐层积累在构件中，导致构件缺陷增多、成形稳定性差。因此，开发新配方的填充丝，拓宽当前电弧熔丝增材制造的材料种类是非常必要的。通过在填充丝中添加成核元素或其他元素等方法，细化晶粒、消除或减少堆积缺陷、提高成形稳定性以制备出高质量和高机械强度的构件将是研究热点。

3电弧熔丝增材制造工艺

对于电弧熔丝增材制造产品中的部分缺陷，可通过辅助工艺和后处理来改善和解决。目前，已被研究应用于电弧熔丝增材制造的工艺主要包括冷金属过渡（CMT）技术、塑性变形复合电弧增材制造技术、增减材混合制造技术和热处理工艺等。

3.1冷金属过渡（CMT）技术

CMT技术是2004年Fronius公司基于钢与铝异种材料焊接技术和无飞溅引弧技术开发出来的GMAW焊接熔滴过渡技术，具有高熔敷效率、低热输入和无飞溅等特点，其原理是通过控制电弧和送丝机构的闭合、断开，降低熔滴温度，达到冷热循环交替的效果，最终解决电弧熔丝增材制造的熔池飞溅和成形件气孔的问题。CMT技术的研究主要涉及控制增材路径轨迹、优化成形工艺和改善构件缺陷等方面。马明亮等采用ABB焊接机器人和CMT弗尼斯焊机，通过在焊接时增加摆动研究焊道偏移量对增材成形的影响，建立了焊道搭接模型，提出可以根据模型计算得出最优偏移量，获得成形稳定、组织均匀的焊道。CMT技术已被应用到钢、铝合金、镁合金和钛合金等多种材料，只是研究方向略有不同。基于铁基材料广泛的应用背景，传统成形工艺已经相对成熟，铁基材料CMT技术的研究应将重点放在提高构件性能和成形复杂结构上，体现出CMT技术较传统成形技术的优势。对于有色金属材料CMT增材制造的研究，应将重点放在控制成形精度、优化成形工艺和解决成形缺陷等方面。通过对CMT增材制造过程的数值模拟来分析热力学行为已经成为研究热点，这对了解构件的成形状态、微观组织、力学性能和各类缺陷的形成机理有着重要意义。

3.2塑性变形复合电弧增材制造技术

塑性变形复合电弧增材制造技术是指在增材过程中，利用金属的塑性使构件在外力作用下产生塑性变形的成形技术。该项技术解决了电弧沉积过程中电弧输入热量高，材料内部出现垂直于沉积方向的粗大柱状晶，形成不均匀的组织结构，引起材料各向异性，降低构件力学性能的问题，达到改善成形件微观组织，提高力学性能的目的。目前研究主要涉及轧制复合技术、超声/激光冲击复合技术和高频微锻复合技术等。

轧制复合技术是通过轧辊使金属表面产生塑性变形，破坏内部粗大的柱状晶，在材料内部积累大量变形能。同时，在下一层电弧沉积过程中，电弧的高热量诱导材料发生再结晶，细化晶粒，提升材料力学性能、改善各向异性。H?NNIGEJR等在铝合金电弧增材制造中通过复合辊压工艺对构件残余应力和变形进行控制，在电弧沉积单层材料后冷轧变形，其原理见图2。张海鸥等提出智能微铸锻复合制造技术，通过将热轧与电弧熔丝增材制造技术耦合，采用微型轧辊对电弧沉积层进行热轧，同步实现电弧增材与热轧变形，其原理见图3。

超声/激光冲击复合技术是指利用超声波的高频振动或者激光束的冲击在材料表面产生塑性变形，通过改变内部粗大的柱状晶结构和抵消残余应力提升材料性能。何智等研究了超声冲击对电弧熔丝增材钛合金零件力学性能的影响规律，结果表明超声冲击可以改善材料的各向异性，其原理见图4。SUNRJ等通过研究电弧熔丝增材复合激光冲击喷丸技术对2319铝合金材料的微观结构、残余应力和拉伸性能的影响，提出该技术可显著细化晶粒尺寸并改善应力分布。

高频微锻复合技术是通过高频锻打机构对焊缝区域进行锻打强化，使其产生大幅塑性变形，达到细化晶粒和消除残余应力的目的，可有效防止焊接裂纹和气泡的产生，改善焊缝区域的力学性能和机械加工性能，解决了大型异形焊接件不能进行热处理消除残余应力的问题。QIUCJ等将高频微锻造运用到激光增材制造中，高频锻造能将表面的铸造组织转变为锻造组织，同时能将增材过程形成的残余拉应力转变为压应力，激光熔覆层特有的明显而规则的枝状结晶组织被锻碎，激光熔覆层的开裂行为有明显好转，其原理见图5。

(a)机构原理(b)高频微锻造装置

由于塑性成形技术的快速发展，塑性变形复合电弧增材制造技术取得了较好的研究进展。对于增材制造不同材料和成形工艺的构件，通过塑性变形实现了构件各项性能的提高。如何通过塑性变形来改善电弧熔丝增材制造成形精度差和粗大柱状晶显著降低力学性能的问题已经成为研究热点，从冷变形不能满足强度较高材料的变形要求，到热变形工艺稳定性差需要实现变形温度的精确控制，探索适合电弧增材循环热输入特点的控温方式，做到热变形加热工艺和增材成形工艺的协同调控将是塑性变形复合电弧增材制造技术的发展方向。

3.3增减材混合制造技术

增减材混合制造技术主要是针对电弧熔丝增材制造表面质量较差、尺寸精度较低的缺点，其基本原理是进行下一层沉积前对上一层沉积金属进行精密铣削，如此往复制得高精度零部件。增减材混合制造技术通过合理的工艺规划可大大改善传统减材工艺的材料利用率低、效率低和复杂结构加工难等问题。为保障构件的成形精度和组织性能，开发出适合增减材混合制造技术的工艺规划算法已经成为研究热点。

张海鸥等发明了智能微铸锻铣混合制造技术，即将电弧微铸增材成形与连续微锻等材成形、铣削减材成形方法混合，在沉积层半凝固微区对其进行同步连续微锻造来细化沉积层晶粒，并采用数控铣削方式去除后续难加工和缺陷部分，大大缩短了复合增材制造的工艺流程，其原理见图6。KARUNAKURANKP使用等间距平面切片识别分层计划和减材路径，近似来计算切片厚度和零件设计的分层，增材采用在每层沿Z字形或螺旋形沉积材料，随后对每个沉积层平面进行铣削，统一沉积层的高度并去除表面缺陷。

增减材混合制造技术目前普遍采用数控机床或机器人作为运动平台，通过搭载焊接设备进行增材制造，未来智能化机械加工设备的发展将进一步推动增减材混合制造技术的进步。未来在保证成形精度和表面质量的前提下，解决电弧熔丝增材设备与减材设备的适配问题和结构复杂构件的分层和工艺规划问题，以及做到增减材混合制造的智能化检测与实时反馈将成为增减材混合制造技术的发展方向。

3.4电弧熔丝增材制造热处理工艺

电弧熔丝增材制造的构件需经历循环加热和快速冷却，成形构件存在组织不均匀和残余应力大的缺陷，热处理能有效调整成形件组织，减少残余应力，提升构件材料性能，且不同的热处理工艺会大大改变内部的组织特征及析出相，从而显著影响组织性能。热处理在改善材料组织结构和力学性能上的效果是被大家认可的，传统材料的热处理工艺在电弧增材制造材料上的适用性还需进一步研究验证，针对电弧熔丝增材制造材料的组织特点，研究热处理过程中材料的组织演变规律，开发出更为合理的热处理工艺将成为未来的研究方向。

对于电弧熔丝增材制造工艺而言，随着数值模拟技术、塑性成形技术、机械自动化技术的发展，针对电弧熔丝增材制造成形过程输入热量高、热循环复杂的特点，研发适用性更强，工艺性更稳定，效果更好的新工艺将成为电弧熔丝增材制造工艺的发展方向。

4结论与展望

设备是将电弧熔丝增材制造技术转变为产品的载体，在满足市场对高效率、低成本和集成化的要求下，建立一体化的设备，需要继续研发成形过程稳定、成形精度高、成形质量好的硬件和软件系统。

材料是电弧熔丝增材制造产品性能的保障，在现有成形过程控制和成形工艺开发的研究基础上，制造高质量的构件，需要继续研究填充丝的新配方、成形过程微观组织的演变机理和内部传热传质过程。

工艺是电弧熔丝增材制造产品研发和生产的基础，在电弧熔丝增材成形机理的基础上，开发快速高效的工艺，需要继续研究数值模拟技术、塑性成形技术和机械自动化技术在电弧熔丝增材制造中的应用。

综合上述电弧熔丝增材制造技术的发展和研究，提高成形过程稳定性、解决成形缺陷以制备出高质量的构件是所有研究者的共同目标，高精度的设备、高性能的材料以及高效率的工艺是未来的研究重点。

文献引用格式：韩智，陈瑞，王宇，等.电弧熔丝增材制造技术研究进展[J].特种铸造及有色合金，2021,41（11）：1381-1386.