耿汝偉，杜 軍，魏正英

(西安交通大學，機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，西安 710049)

0 引 言

金屬增材制造技術是20世紀80年代發(fā)展起來的具有重大意義的先進機械零件制造技術，根據(jù)其所用熱源種類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)零件三維實體所建立的CAD模型進行分層切片，通過送絲系統(tǒng)，在成形軟件的控制下逐點堆積，以一定成形路徑自下而上地制造出所需零件的先進數(shù)字化制造技術。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)勢明顯。在設備方面，電弧增材制造用熱源主要由熔化極惰性氣體保護焊[1-2]、鎢極惰性氣體保護焊[3-4]以及等離子體焊接電源等產生，相對于電子束、激光增材制造，其在價格和系統(tǒng)簡易程度上具有絕對優(yōu)勢。電弧增材制造不需要特殊的成形環(huán)境，可通過機械臂和導軌擴展成形區(qū)域，構件尺寸不受成形倉限制，適用于制造大型金屬構件。在成形材料方面，金屬絲材生產周期短、價格低廉，相對于粉末更易于制備，而且電弧增材制造技術可成形的材料種類廣泛，可成形對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%的成形時間，且材料利用率高，后續(xù)機加工時間亦可縮短15%～20%[5]。電弧增材制造技術取得的突破性進展使得飛機復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、質量可靠的增材制造技術，則需對其各個方面進行深入研究，包括設備搭建、工藝參數(shù)優(yōu)化、路徑規(guī)劃、在線監(jiān)控與反饋、顯微組織、殘余應力與構件變形等[7]。作者介紹了電弧增材制造技術的發(fā)展史，從增材制造“控形控性”[8]的角度，對電弧增材制造的成形規(guī)律、顯微組織演變機制、殘余應力與變形的數(shù)值模擬方法進行了綜述，最后總結了工程應用中控制應力變形的幾種方法。

1 電弧增材制造的發(fā)展史

盡管人們廣泛認為電弧增材制造技術僅有一二十年的歷史，但實際上基于焊接技術的近凈成形概念早在約100年前就已經形成。焊接技術出現(xiàn)后，很多發(fā)明家利用其制造出不同形狀的構件，電弧增材制造的理念開始萌芽。早在1920年，BAKER[9]利用熔化極電弧通過預設的螺旋形路徑成形了一個裝飾品，并申請了金屬疊加沉積成形的專利。隨后，UJIIE[10]通過焊接填充材料沉積的方法成形了圓形橫截面的壓力容器，并在接下來的時間里致力于提高沉積效率，研制出一種三絲電極氣體保護焊技術。1983年，KUSSMAUL等[11]基于埋弧焊接原理逐層堆積(沉積效率達80 kg·h-1)制造了一個質量為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產生裂紋。由于當時殘余應力和冶金行為對構件力學性能影響的研究還十分落后，焊接成形的發(fā)展受到阻礙。

計算機控制技術在機械制造領域的發(fā)展和應用重新振興了三維焊接技術。DICKENS等[12]通過在線點對點編程，采用機器控制的氣體保護焊工藝逐層沉積成形了無支撐的墻體結構。RIBEIRO等[13]開發(fā)了一個離線監(jiān)控系統(tǒng)，其可以實現(xiàn)CAD模型的分層切片，然后按照預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備申請了專利，該設備通過CNC銑床進行焊接成形控制。20世紀90年代，英國克萊菲爾德大學焊接工程研究中心(Welding Engineering Research Centre)為英國Roll-Royce飛機發(fā)動機公司開發(fā)了成形沉積制造(SMD)技術，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用得到飛速發(fā)展，自動化設備研發(fā)、軟件編制、沉積成形機理及殘余應力控制等得到廣泛關注。

2 工藝參數(shù)對沉積層形貌的影響及研究方法

金屬增材制造成形件應滿足尺寸精度、公差等形狀要求，即控形。一般通過試驗直接研究工藝參數(shù)對沉積層形貌的影響。DINOVITZER等[14]研究發(fā)現(xiàn)，電弧增材制造工藝參數(shù)中，電流和基板移動速度(成形速度)對沉積層形貌的影響最大，兩者均可控且調節(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；加快基板移動速度，高溫熔體由于熱輸入減小來不及充分鋪展，沉積層寬度減小，在送絲速率不變的情況下，單位時間內沉積的原材料減少，層高也相應減小。此外，基于計算流體動力學(CFD)的數(shù)值模擬也是研究沉積層形貌的有效手段。OU等[15]通過三維流動傳熱模型計算電弧增材制造成形過程中的溫度場和熱流場，亦得出上述類似結果。DU等[16]研究了變極性非熔化極惰性氣體保護焊中焊接速度和脈沖頻率對熔池內熱流場和沉積層形貌的影響，發(fā)現(xiàn)與試驗結果相比，熔寬、熔深尺寸的模擬相對誤差不超過7%，該研究對于相同電源的電弧增材制造過程同樣具有參考意義。

利用計算流體動力學方法雖然可以較為準確地預測沉積層的幾何參數(shù)，但在多層多道沉積或工藝參數(shù)變量較多的情況下，其計算量巨大，耗時長，實用性較差。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)的預測模型，可以準確且快速地預測不同工藝參數(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]建立了人工神經網絡模型，將送絲速率和成形速度作為輸入條件來預測單道單層沉積時的層高和層寬。遺傳算法和人工神經網絡方法可有效減少工作量，極大地節(jié)約時間和人工成本。

在電弧增材成形過程中，熱輸入也是影響沉積層形貌的重要參數(shù)之一。熱輸入過高會導致沉積層間溫度不斷升高、層高減小、寬度增大，最終導致尾部塌陷。在鈦合金電弧增材制造過程中，當層間溫度由100 ℃升至300 ℃時，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間，嚴格控制層間溫度，可以明顯改善尾部塌陷問題。

3 電弧增材制造件的顯微組織演變機制

電弧增材制造件除滿足尺寸要求外，從控性的角度來說，還要滿足力學性能及疲勞壽命等要求。金屬構件的宏觀力學性能在很大程度上取決于其微觀組織結構。在電弧增材制造過程中，可以通過調控電流、成形速度、基板預熱溫度和后續(xù)熱處理等方法改變構件內部顯微組織的取向、大小和形態(tài)等，從而獲得理想的力學性能。因此，首先要明確電弧增材制造件的顯微組織演變機制，在此基礎上改變成形工藝參數(shù)，從而實現(xiàn)從顯微組織到宏觀力學性能的可控制造[21]。顯微組織研究方法主要有數(shù)值模擬和金相試驗觀測兩種。電弧增材制造可成形材料種類廣泛且變量繁多，若通過控制工藝參數(shù)對不同材料逐一進行試驗研究，將會耗費大量時間和精力。數(shù)值模擬結合試驗驗證則是一種相對理想的研究方法。

熔池內的溫度梯度G和凝固速率R直接決定著顯微組織形態(tài)。當G/R由大變小時，凝固組織將從平面晶向柱狀晶和等軸晶轉變。晶粒尺寸則與冷卻速率及G，R的乘積有關。OU等[15]通過建立三維流動傳熱模型，研究了電弧增材制造各工藝參數(shù)對溫度梯度、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速度會減緩冷卻凝固過程；而送絲速率和絲材直徑不改變系統(tǒng)熱輸入，對熔池內的傳熱凝固無明顯影響。AYARKWA等[22]研究了峰值電流時間對沉積層形貌、晶粒尺寸和構件力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)在電弧增材制造過程中，提高峰值電流時間會導致晶粒粗化，但對構件最終力學性能影響不大。

上述關于電弧增材制造凝固組織的定性分析并不能滿足工程應用需求，因此一種定量模擬凝固過程中枝晶生長的方法——相場法受到越來越多的關注，其通常與計算流體動力學或有限元方法結合使用，以便獲得電弧增材成形過程的初始凝固參數(shù)。WANG等[23]通過相場法與有限元法研究了焊接熔池內不同位置處的顯微組織，模擬結果與試驗觀測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機法模擬電弧熔池內枝晶外延形核與枝晶生長狀況，研究了焊接速度對顯微組織的影響，結果表明提高焊接速度可以有效細化晶粒。FARZADI等[25]利用計算流體動力學建立電弧熔池流動傳熱模型，選取熔池內垂直于熔合線邊界并與焊接方向平行以及呈45°角的兩個位置，提取其溫度梯度、凝固速率等參數(shù)，然后用相場法模擬了焊接速度為3 mm·s-1和8 mm·s-1時兩位置處的柱狀晶生長情況，結果表明：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??；在相同焊接速度下，熔池中心線上冷卻速率最大，一次晶臂間距較??；由于電弧增材成形經歷快速非平衡冷卻過程，顯微偏析現(xiàn)象相對于鑄造過程減輕許多，這也是電弧增材制造件力學性能普遍優(yōu)于鑄件的原因之一，但其仍會存在溶質元素分布不均勻的現(xiàn)象。電弧增材制造TC4合金構件熔合線附近存在偏析層，溶質元素發(fā)生晶內偏析，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似現(xiàn)象，溶質元素主要在晶界處富集，鋁元素則多分布在枝晶內部[27]。

目前鮮有關于電弧增材制造工藝參數(shù)對顯微偏析影響的報道，工藝參數(shù)對溶質分布的影響實質上是通過冷卻速率施加的。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，該研究結果可為電弧增材制造提供參考。構件的力學性能與凝固組織有著直接的聯(lián)系。熱影響區(qū)晶粒粗大，元素偏析嚴重，一般為構件最薄弱的部位；由于冷卻速率快，沉積層元素分布較為均勻，晶粒較細，力學性能較好。

總體來看，電弧增材制造相關研究主要集中在構件結構與成形策略之間的關系[29-30]，熱力學行為與凝固參數(shù)之間的關系[31]，凝固參數(shù)與顯微組織演變之間的關系[32]以及工藝參數(shù)與構件力學性能之間的關系[33-34]等方面。而電弧增材制造工藝參數(shù)對熱力學行為、沉積層形貌、顯微組織演變的影響以及對應的試驗驗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力與變形

在增材制造過程中，構件內部經歷快速局部加熱和冷卻過程，基板和沉積層以及各沉積層之間產生巨大的溫度梯度，金屬熔體凝固收縮不可避免會產生殘余應力和變形。電弧增材制造件的殘余應力有時甚至與其屈服強度相近，這直接影響到構件的疲勞性能和服役壽命。當局部殘余應力高于抗拉強度時，材料會產生裂紋；當局部殘余應力高于屈服強度但低于抗拉強度時，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]，這會影響到構件的尺寸精度和裝配性能。變形由多重熱循環(huán)下材料的膨脹和收縮導致，大型薄壁構件的變形更加明顯[37]。電弧增材制造一般用于成形大尺寸構件，若構件因殘余應力過大而開裂，則會導致零件報廢，造成極大的經濟損失。因此，無論是從控形還是控性的角度，都有必要對電弧增材成形過程中的應力和變形進行研究，通過優(yōu)化工藝參數(shù)等方法來減小應力，控制變形。

4.1 殘余應力與變形的數(shù)值模擬方法

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

構件在成形過程中發(fā)生的總應變εtotal[40]可以表示為

εtotal=εelastic+εplastic+εthermal+εphase

(1)

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

彈性應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；塑性應變模型通過Von Mises屈服標準、各向同性的加工硬化模型和隨溫度變化的材料力學性能獲得；熱應變模型則利用熱膨脹系數(shù)計算得到；由相變引起的應變在某種程度上是由體積變化引起的。由于電弧增材制造的加熱過程比較短暫，故不考慮蠕變的影響。DENG等[41]研究了碳鋼中馬氏體相變應力對殘余應力的影響，發(fā)現(xiàn)在快速冷卻過程中，面心立方(FCC)結構的奧氏體會轉變?yōu)轶w心立方(BCC)結構的馬氏體，相變引起的體積膨脹是相變應力產生的主要因素；在低碳鋼中，由馬氏體相變導致的殘余應力基本可以忽略，而在中高碳鋼中，相變對殘余應力的影響比較明顯，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，沉積層長度方向上存在拉應力，為保持平衡，基板上則產生壓應力。由于基板對沉積層的束縛作用，多層沉積構件頂部的應力要小于構件底部的[42]。殘余應力對熱輸入并不敏感，當熱輸入增大1倍時，殘余應力減小約20%，而變形量增大2.5倍，因此要統(tǒng)籌考慮參數(shù)變化對殘余應力和變形的影響，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]和固有應變法[46-47]；這兩種方法基于不同的原理，面向不同的工程實際，優(yōu)勢互補，相輔相成。熱彈塑性有限元法是固有應變法的基礎，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)相變對熱力學過程的影響，研究了移動熱源作用下溫度場、應力場的演變規(guī)律，可以模擬整個電弧增材制造的加熱和冷卻過程，還可以精確分析成形過程中的應力變形，有助于理解不同成形工藝下應力變形的形成機制和演變規(guī)律，為控制應力變形提供理論基礎。由于該方法模擬了完整的加熱和冷卻過程，計算量巨大、耗時長，且計算過程有明顯的幾何非線性和材料非線性特征，不易獲得收斂結果，因此僅適用于對尺寸小、形狀結構相對簡單的構件進行應力與變形分析。此外，溫度梯度是產生殘余應力的直接因素，熔池內熔體的流動可以降低溫度梯度，故沉積層形貌也會在一定程度上對應力分布產生影響，但熱彈塑性有限元法在計算溫度場時忽略了不同工藝參數(shù)對沉積層形貌的影響，未考慮熔池內流場的作用而導致誤差較大。針對上述問題，有研究者提出將計算流體動力學法與有限元法相結合[43,48]，利用流體動力學法充分考慮流場和沉積層形貌的影響，獲得準確的溫度場，然后將溫度信息輸入到有限元模型中計算電弧增材成形過程中的應力與變形，以減小計算誤差。但總體來說，相關報道十分有限，這成為今后熱力耦合研究的一個重要方向。

固有應變法適用于對大型復雜構件進行應力與變形分析?；诠逃袘兝碚摚褂镁€彈性有限元代替熱彈塑性有限元求解殘余應力與變形，可以大幅度縮短計算時間。該方法是一種近似計算方法，需要先建立龐大且準確的固有應變數(shù)據(jù)庫；這個數(shù)據(jù)庫由熱彈塑性有限元分析得到。

4.2 殘余應力與變形的控制方法

基板預熱、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力的3個主要方法。對基板預熱可以降低熱源作用下熔池內的冷卻速率和溫度梯度，從而減小熱應力，防止變形開裂[49]。但對于大型復雜金屬構件而言，基板加熱和構件整體保溫難度較大，而且長時間保溫會使其顯微組織發(fā)生改變，進而影響力學性能。

超聲波沖擊是一種相對新穎的減小殘余應力的方法，目前已作為輔助工藝運用于增材制造中。通過對成形過程中的構件施加頻率在2 000 Hz以上的振動，可以細化晶粒、減少內部孔隙及夾雜物；超聲波振動能夠破壞樹枝晶，有助于熔體的后續(xù)補充，降低凝固收縮產生的拉應力[50]。GAO等[51]研究了超聲波沖擊對焊接結構應力的影響，發(fā)現(xiàn)超聲可以使應力分布更加均勻，對于高應力水平區(qū)域的作用更為明顯。NING等[52]通過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性能。國內其他學者也進行了類似研究[53-57]，同樣證明了超聲輔助具有降低增材制造金屬構件殘余應力的作用。但超聲輔助元件一般放置在基板底側表面處，對于大型復雜結構金屬構件而言，振動強度在遠離振源方向上逐漸降低，因此無法對整個零件實現(xiàn)有效的超聲波干預，極大地影響了超聲振動的作用效果。對沉積層逐層輥壓也是能有效抑制應力和變形的一種輔助工藝。MARTINA等[58]在電弧增材制造過程中利用滾輪對沉積層進行輥壓，使之產生塑性變形來改變內部應力狀態(tài)，對比未輥壓成形件，其殘余應力減小60%，變形量降低50%。

熱處理是一種消減殘余應力的有效方式，且技術成熟，操作簡便，廣泛應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)，對激光選區(qū)熔化成形鈦合金構件進行適當熱處理后，沿沉積層高度方向和激光掃描方向的殘余應力均大幅降低。張霜銀等[60]研究發(fā)現(xiàn)，經去應力退火后，激光選區(qū)熔化成形鈦合金構件在平行和垂直于激光掃描方向上的殘余應力分別減小了59.8%和72.3%。雖然熱處理對激光增材制造件的殘余應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件，對構件整體進行熱處理難度較大，因此電弧增材制造大型構件的應力及變形控制應在前處理和成形過程中進行。因為一旦構件因應力過大產生裂紋，很難通過后續(xù)措施補救。

5 結束語

電弧增材制造憑借高效率、低成本、原料易獲取等優(yōu)勢獲得越來越多的關注，成為大型構件增材制造不可替代的一種技術。在焊接技術誕生之時，電弧增材制造的理念就開始萌芽，從20世紀90年代開始，電弧增材制造在理論和工程應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題需要更深入的研究和探討。

(1)構件的成形控制?？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沉積層形貌影響較大，并且能夠改變成形過程中的熱輸入，從而影響高溫熔體的鋪展狀況，進而影響沉積層的高度、寬度等。此外，層間溫度過高會導致尾部塌陷，減少熱累積才能獲得均一穩(wěn)定的構件。

(2)顯微組織和力學性能的主動控制。電弧增材制造件經歷周期性/非穩(wěn)態(tài)循環(huán)加熱和冷卻過程，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制和影響因素，才能實現(xiàn)增材制造件的宏觀、微觀一體化制造。

(3)殘余應力與變形的控制。殘余應力和變形是電弧增材制造中不可忽略的問題，尤其是制造大型構件時。熱彈塑性模型和固有應變模型是計算應力和變形的主要方法；有限元法具有一定局限性，其與計算流體動力學結合將是未來的重要研究方向之一?；孱A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力和變形。工程應用時，要根據(jù)實際情況選擇合理的工藝和后處理方法。