王庭庭，張?jiān)?，謝岳良

（山東建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101）

絲材電弧增材制造技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望

王庭庭，張?jiān)?，謝岳良

（山東建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101）

絲材電弧增材制造技術(shù)因其成形速度快、成形件尺寸靈活等優(yōu)點(diǎn)受到越來(lái)越多的關(guān)注，尤其是大尺寸、復(fù)雜形狀構(gòu)件的高效快速成形，絲材電弧增材制造有著其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。介紹了絲材電弧增材制造技術(shù)的工藝過(guò)程，從絲材電弧增材制造成形件的成形工藝及表面質(zhì)量研究、成形件組織性能研究以及成形件殘余應(yīng)力研究三個(gè)方面綜述國(guó)內(nèi)外絲材電弧增材制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀，總結(jié)該技術(shù)現(xiàn)階段在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用情況，指出研究人員對(duì)絲材電弧增材制造技術(shù)的相關(guān)研究工作聚焦于工藝優(yōu)化和過(guò)程控制兩個(gè)方向，怎樣才能通過(guò)熔滴的平穩(wěn)過(guò)渡獲得高質(zhì)量的成形件，如何有效控制逐層堆積過(guò)程中晶粒及顯微組織變化，以抑制零件內(nèi)部不良組織的產(chǎn)生是需要繼續(xù)研究的問(wèn)題。

絲材；電??；增材制造

0 前言

增材制造（Additive Manufacture，AM）指通過(guò)對(duì)零件三維CAD模型進(jìn)行分層切片降維處理，按預(yù)先生成的路徑將材料逐層累加而制造實(shí)體零件的過(guò)程。它是一種“自下而上”材料累加的制造方法，可一次成形復(fù)雜零件或模具而無(wú)需工裝設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了零件的自由制造。在制造復(fù)雜功能零件、復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件、難加工易變形零件等方面的優(yōu)勢(shì)更加突出[1]。

利用激光、電子束或電弧熱等能源加熱熔化金屬粉末或焊絲來(lái)實(shí)現(xiàn)金屬零件直接快速成形制造，是國(guó)內(nèi)外增材制造技術(shù)研究人員的目的[2-3]。絲材電弧增材制造技術(shù)（Wire and Arc Additive Manufacture，WAAM）技術(shù)無(wú)需模具，與鑄造、鍛造工藝相比，生產(chǎn)制造時(shí)間短、產(chǎn)品靈活性好[4]。與粉末增材制造相比，WAAM成形件材料利用率更高。粉末床預(yù)鋪粉選區(qū)熔化（燒結(jié)）（Powder-bed）、同步送粉（Blownpowder）、電弧絲材增材制造（WAAM）、高能束絲材熔融沉積（Hi.Dep.Wire-fed）四種增材制造方法的比較如圖1所示[5-8]。WAAM雖然成形精度稍差，但其材料適用范圍廣、效率高、成本低，是與激光增材制造方法優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的3D增材成形技術(shù)[9-10]。

圖1 幾種工藝方法的比較[5]

1 WAAM工藝方法

WAAM是采用熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）、鎢極氬弧焊（TIG）或等離子弧焊（PAW）熱源，利用逐層熔敷原理，通過(guò)絲材的添加，采用逐層堆焊的方式成形出金屬零件的技術(shù)[4]，其工藝過(guò)程如圖2所示。WAAM構(gòu)件整體全是焊縫，組織和化學(xué)成分均勻，主要用于大尺寸、較復(fù)雜形狀構(gòu)件的低成本、高效快速成形[11-12]。但電弧增材制造成形精度差，一般需要二次表面機(jī)加工。

圖2 WAAM技術(shù)工藝過(guò)程[5]

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

早在20世紀(jì)初，西屋電器Baker[13]申請(qǐng)過(guò)一項(xiàng)以電弧為熱源逐層堆焊制造金屬件的專利。20世紀(jì)末，WAAM技術(shù)結(jié)合數(shù)字化控制手段在成形大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件上的優(yōu)勢(shì)突出，國(guó)內(nèi)外研究人員才開始WAAM技術(shù)的研發(fā)工作。WAAM技術(shù)以電弧為載能束，制造過(guò)程中熔池體積大，加上材料種類、電弧吹力、電源特性等擾動(dòng)因素的存在，增強(qiáng)了熔池的不穩(wěn)定性。能連續(xù)一致地逐層堆焊是實(shí)現(xiàn)WAAM的先決條件，因此要求每層的組織、成分、性能等的再現(xiàn)性良好。

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外有關(guān)WAAM成形工藝及表面質(zhì)量的研究，在工藝優(yōu)化、過(guò)程監(jiān)控和實(shí)時(shí)反饋等方面較多。工藝優(yōu)化方面，目前主要通過(guò)試驗(yàn)方法，針對(duì)不同的材料體系、不同的焊接方法，選出關(guān)鍵影響因素（焊速、焊絲直徑、送絲速度、層間溫度、電流、電壓等）。Escobar-Palafox[14]采用統(tǒng)計(jì)方法探討鎢極氣體保護(hù)焊AM構(gòu)件尺寸、弧長(zhǎng)、焊速和熱輸入密度對(duì)成形件表面質(zhì)量、體積收縮、組織等的影響規(guī)律。研究表明，一定范圍內(nèi)增大焊絲直徑、送絲速度、焊速可獲得較好的表面形貌。美國(guó)Southern Methodist大學(xué)Ouyang等人[15]采用變極性鎢極氣體保護(hù)焊工藝堆焊制造5356鋁合金構(gòu)件，指出影響構(gòu)件尺寸精度、表面質(zhì)量的關(guān)鍵是控制弧長(zhǎng)、基板預(yù)熱溫度及層間溫度。英國(guó)Cranfield大學(xué)Martina等人[16]建立了一套輸入焊接速度、送絲速度、焊接電流，輸出變量為多層單道壁厚和層高的等離子弧填絲增材制造系統(tǒng)，得出輸入與輸出變量之間的關(guān)系模型。韓國(guó)首爾大學(xué)Zhu Hu和Kunwoo Lee等人[17-18]提出了基于沉積和銑削特征來(lái)確定加工方向的算法和基于凹邊識(shí)別的分層算法。英國(guó)Cranfield大學(xué)Almeida等人[19]成形了表面質(zhì)量較好的多層單道薄壁構(gòu)件。J.Mehnen等人[20]指出增材制造技術(shù)成形大尺寸構(gòu)件時(shí)，可按有限元模擬獲得小變形的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)路徑進(jìn)行施焊。2012年Cranfield大學(xué)研究人員[21]實(shí)現(xiàn)了不同傾斜角度和封閉薄壁件的增材成形。在WAAM工藝穩(wěn)定性及構(gòu)件形貌重復(fù)再現(xiàn)性方面取得了突破性進(jìn)展。WAAM過(guò)程中，堆焊層數(shù)增加，成形件熱積累增大、散熱條件差，熔池凝固時(shí)間變長(zhǎng)，熔池形狀難于控制。美國(guó)Tufts大學(xué)Kwak等人[22]通過(guò)控制焊速和送絲速度來(lái)控制熔敷堆高和有效寬度，利用熔化極氣體保護(hù)焊槍進(jìn)行堆焊成形，實(shí)現(xiàn)了對(duì)構(gòu)件成形尺寸特征的實(shí)時(shí)閉環(huán)控制。

目前針對(duì)WAAM成形件組織性能的研究工作還處于組織分析、性能規(guī)律的描述階段，未找到一般性規(guī)律并進(jìn)行深入的理論及機(jī)理分析。例如，WAAM技術(shù)制造鈦合金構(gòu)件的顯微組織通常是鑄鍛造技術(shù)難形成的長(zhǎng)柱形β晶[10]。Paul等人[23]指出外加電磁場(chǎng)對(duì)WAAM技術(shù)制造TC4構(gòu)件晶粒形狀的影響不大，如圖3所示的軋制處理可以細(xì)化WAAM成形件組織，降低其殘余應(yīng)力和表面粗糙度。Bermingham等人[24]證實(shí)微量硼元素能夠有效消除WAAM鈦合金α晶界和團(tuán)束組織，形成各向同性的細(xì)小α等軸晶。Baufeld[25]指出不同方向上WAAM TC4成形件抗拉強(qiáng)度值相差不大，但是塑性有明顯區(qū)別，沿成形方向最高達(dá)19%，而垂直于成形方向僅9%。Mohammad Pervez Mughal等人[26]指出增材制造過(guò)程中沉積一層后進(jìn)行銑削加工，將改變成形件的微觀組織形態(tài)，基本不影響成形件屈服強(qiáng)度。

圖3 軋制形式[23]

逐層堆焊過(guò)程中，成形件內(nèi)不同部位的散熱條件差異導(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。如何構(gòu)建WAAM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)力水平和扭曲變形及優(yōu)化WAAM成形路徑，是這一研究角度的關(guān)鍵及難點(diǎn)。Colegrove等人[23]將增材制造與傳統(tǒng)的軋制工藝相結(jié)合，既減小了焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和工件變形，又改善了晶粒組織。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)研究的WAAM成形方法包含TIG焊、MIG焊和CMT。西北工業(yè)大學(xué)研究人員利用GTAW（Gas Tungsten Arc Weld）交直流焊機(jī)搭建了WAAM成形系統(tǒng)，著眼于WAAM成形物理過(guò)程、熔池系統(tǒng)穩(wěn)定性、組織演變和性能優(yōu)化等的研究。天津大學(xué)尹玉環(huán)等人[27]指出，以TIG電弧為熱源的5356鋁合金增材制造過(guò)程中，控制道次間冷卻時(shí)間和不同層之間冷卻時(shí)間能獲得良好的增材成形效果。趙孝祥等人[28]研究表明，熔敷層寬度隨焊接電流的增加呈線性增加，直線與圓弧過(guò)渡、直線與直線過(guò)渡和圓弧與圓弧過(guò)渡三種路徑中直線圓弧過(guò)渡熔敷層寬度最小，直線與直線過(guò)渡最大。華中科技大學(xué)王湘平等人[29]為實(shí)現(xiàn)多軸WAAM的大懸臂結(jié)構(gòu)無(wú)支撐直接制造，提出了一種厚度和方向均可變的自適應(yīng)切片算法，并采用8軸Robotic WAAM系統(tǒng)制造了漸縮式螺線管（見(jiàn)圖4），驗(yàn)證了算法的有效性。從保強(qiáng)等人[30]的研究結(jié)果表明，控制熱輸入、工作環(huán)境和送絲速度三個(gè)因素可有效控制鋁合金電弧填絲增材制造成形件內(nèi)部的氣孔缺陷，控制送絲速度和焊接速度比可實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁合金增材成形高度和寬度的有效控制。還指出鋁合金電弧填絲增材制造技術(shù)特別適用于航空航天工業(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)件低成本、高效快速制造。周祥曼等人[31]建立了純氬保護(hù)電弧增材制造的電弧磁流體動(dòng)力學(xué)三維數(shù)值模型，通過(guò)模擬計(jì)算獲得了增材制造特有的單道和多道搭接熔積條件下不同表面形貌對(duì)應(yīng)的電弧形態(tài)以及相應(yīng)的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、電流密度、電磁力、電弧壓力分布。柏久陽(yáng)等人[32]發(fā)現(xiàn)，單層多道結(jié)構(gòu)的上表面形貌由單條焊道形貌、焊道間距和焊道數(shù)目共同決定，建立了焊道間距計(jì)算模型。胡瑢華[33]指出分層處理和路徑規(guī)劃是基于TIG堆焊技術(shù)熔焊成型技術(shù)的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。道間距d=0.67W（焊縫熔寬）時(shí)，熔焊件表面平整度較好，對(duì)非薄壁件選擇沿長(zhǎng)邊先輪廓后填充的軌跡，薄件則選擇沿輪廓或沿外輪廓向里偏置的堆積軌跡成形更好。張廣軍等人[34]的研究結(jié)果表明，送絲速度與焊接速度之比（送焊比）對(duì)熔滴的形狀影響較大。當(dāng)送焊比大于12.5時(shí)，選用圓弧模型的精確度較高；當(dāng)送焊比小于12.5時(shí)，拋物線模型的精確度較高。曹勇等人[35]用機(jī)器人GMAW及數(shù)控銑削復(fù)合快速控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了某履帶車輛凸輪零件的制造，從而證明了該系統(tǒng)的可行性和高效性。熊俊[36]研究了以Q235B鋼板為基體用φ1.2mm的H08Mn2Si焊絲進(jìn)行GMAW多層單道成形，發(fā)現(xiàn)采用小電流的小規(guī)范工藝參數(shù)進(jìn)行焊接時(shí)熔敷層表面質(zhì)量較高。

圖4 8-軸Robotic WAAM成形漸縮式螺旋管

在金屬零件的組織研究過(guò)程中，需要研究金屬件的宏觀組織與微觀組織。因電弧的熱輸入較高，已成形構(gòu)件受到熱源的往復(fù)加熱，成形過(guò)程中的熱積累較高[37]。關(guān)于WAAM成形組織演變特征的研究尚無(wú)相關(guān)報(bào)道，多是描述與分析。王桂蘭等人[9]研制出電弧微鑄軋復(fù)合增材制造系統(tǒng)，無(wú)模直接成形出熔鑄成形性和可焊性極低的45鋼大壁厚差高強(qiáng)度零件，組織更細(xì)小、力學(xué)性能更好，解決了難成形加工材料高強(qiáng)韌金屬零件的低成本快速成形難題。在電弧增材制造成形件力學(xué)性能方面，Wang等人[38]的研究結(jié)果表明，WAAM制造TC4成形件比鍛造件疲勞壽命長(zhǎng)，延伸率相當(dāng)。Ding和Wang等人[39]模擬了電弧增材制造技術(shù)過(guò)程中的應(yīng)力及變形。綜上所述，WAAM技術(shù)的研究力度還不夠，不能控制成形件的顯微組織、殘余應(yīng)力和變形等，需要加大研究力度。

3 應(yīng)用情況

近年來(lái)，國(guó)外WAAM研究人員已經(jīng)成形出大型金屬結(jié)構(gòu)件。在航空航天領(lǐng)域，WAAM技術(shù)應(yīng)用有原位制造和復(fù)合制造[40]。原位制造指采用電弧增材制造技術(shù)制造出所需零件或修補(bǔ)存在缺陷的零件，復(fù)合制造則是增減材制造技術(shù)相互補(bǔ)充共同生產(chǎn)制造金屬構(gòu)件的方法。英國(guó)Cranfield大學(xué)研究人員采用MIG電弧增材制造技術(shù)快速成形制造出了缺陷少的鈦合金大型框架構(gòu)件。歐洲Airbus、Bombardier、BAE system、Lockheed Martin-UK、MBDA和法國(guó)航天企業(yè)Astrium等均利用WAAM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了大尺寸鈦合金及高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)件的直接快速成形，Bombardier制造了長(zhǎng)2.5 m的飛機(jī)肋板[41]。目前技術(shù)只能制造幾何形狀及結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的零件，成形精度低，尚未在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

4 展望

雖然WAAM技術(shù)存在成形精度低、成形穩(wěn)定性差、設(shè)備自動(dòng)化水平不高等問(wèn)題，但是隨著人們的高度關(guān)注和WAAM技術(shù)快速研制成形大尺寸、小批量構(gòu)件的突出優(yōu)勢(shì)，WAAM技術(shù)有十分廣闊的應(yīng)用前景。目前對(duì)WAAM構(gòu)件質(zhì)量的研究工作主要在工藝優(yōu)化和過(guò)程控制兩個(gè)方面，還未解決構(gòu)件“內(nèi)部質(zhì)量”（晶粒及顯微組織等）的控制問(wèn)題，不能用WAAM技術(shù)實(shí)現(xiàn)航空航天關(guān)鍵及主承力構(gòu)件的直接快速成形。但隨著研究的進(jìn)一步深入，電弧增材制造技術(shù)因其成形速度快和成形尺寸不受限制的突出優(yōu)點(diǎn)，將會(huì)得到廣泛應(yīng)用。因此，如何控制零件內(nèi)部晶粒及顯微組織變化，在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上通過(guò)熔滴的平穩(wěn)過(guò)渡來(lái)獲得高質(zhì)量成形件是亟待解決的問(wèn)題。

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Status and development prospects of the wire arc additive manufacture technology

WANG Tingting，ZHANG Yuanbin，XIE Yueliang
（School of Materials Science and Engineering，Shandong Jianzhu University，Ji'nan 250101，China）

Wirearcadditivemanufacturing（WAAM）technologyhas

increasingattentionbecauseofitshighformingspeed，flexible forming size，in particular，the large-size complex shape of the efficient shape of the rapid molding，wire and arc material has its unique advantages.This paper introduced the technology of WAAM，reviewed the current research situation both at home and abroad from forming processandsurfacequalityoftheformingmaterial，themicrostructureandpropertiesoftheformingpartandtheresidualstress of the forming part three aspects，and then summarized its application in the aerospace field，pointed out that present research work of WAAM mainly focused on the process optimization and process control.How to get the high quality parts by means of smoothly transfer of droplet，how to prevent the abnormal microstructure by means of controlling the grain size and microstructure transformation during the accumulating process stepbysteparetheproblemstobesolved.Themicrostructureofthenuggetzoneislathmartensiteandbainite，andthemicrostructure oftheheataffectedzoneisfinemartensite.

wire；arc；additive manufacturing

TG422.3

C

1001－2303（2017）08－0060-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.08.11

2017-05-02

王庭庭（1990—），女，在讀碩士，主要從事焊接技術(shù)與工藝的研究。E-mail：1219909075@qq.com。

張?jiān)颍淌?。E-mail：zhang_yuanbin@163.com。

本文參考文獻(xiàn)引用格式：王庭庭，張?jiān)颍x岳良.絲材電弧增材制造技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望[J].電焊機(jī)，2017，47（08）：60-64.