（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?。?，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)，越來越多的科研機(jī)構(gòu)相繼開始并專注于電弧增材制造技術(shù)的開發(fā)工作?？颂m菲爾德大學(xué)于2007年開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)?；谏鲜龇治觯娀≡霾闹圃旒夹g(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)按熱源類型可分為激光、電子束以及電弧。過去的研究中，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，而冷金屬過渡技術(shù)將這些問題迎刃而解。

3 CMT（冷金屬過渡）技術(shù)

焊接過程中，許多材料因?yàn)闊o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，降低焊接過程中的熱輸入勢(shì)在必行，CMT（冷金屬過渡）技術(shù)因此應(yīng)運(yùn)而生。CMT（冷金屬過渡）技術(shù)通過將熔滴過渡和送絲運(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)，熔滴在無電流的狀態(tài)下過渡。熔滴過渡時(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，熔滴過渡示意圖見圖 1。CMT技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無焊渣飛濺，而且有焊接過程中熱輸入量小、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渡的原理開發(fā)了 CMT技術(shù)，改善了傳統(tǒng)MIG/MAG焊的熔滴過渡方式，為其應(yīng)用拓展了新的領(lǐng)域。

圖1 熔滴過渡示意圖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，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)在焊接過程中熔滴過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渡熱輸入過程中對(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，之后通過實(shí)驗(yàn)闡明了熱處理后成形件內(nèi)顯微氣孔的演變過程，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增材制造過程中的輻射光譜特性以及氫線強(qiáng)度與增材制造過程中氣孔的關(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圖4。類似的，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)并通過了實(shí)體鋁合金零件的成形，得到的花瓶形鋁合金零件見圖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題制約了鋁合金產(chǎn)品的推廣應(yīng)用。

1)電弧增材制造過程中熔池體積較大，增材過程中影響電弧穩(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有足夠的數(shù)據(jù)證明溫度場(chǎng)的凝固過程，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。