張建生 ，董旭剛，張 普 ，權(quán)國(guó)政，周 杰

（1.重慶杰品科技股份有限公司，重慶 400044；2.重慶大江杰信鍛造有限公司，重慶 404100；3.重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044）

0 引言

近年來(lái)，基于“加法”加工模式的增材制造技術(shù)在形狀較為復(fù)雜的工件的制造方面表現(xiàn)出了較為廣闊的應(yīng)用前景[1]，這是在資源節(jié)約及高效制造的背景產(chǎn)生的必然趨勢(shì)。其中，作為一種較為常見的增材制造應(yīng)用技術(shù)，金屬零件增材制造技術(shù)，無(wú)論是其基礎(chǔ)的理論研究方面，還是其實(shí)際的應(yīng)用開發(fā)方面都引起了世界各國(guó)學(xué)者的極大興趣和廣泛關(guān)注[2-4]。在增材制造這一領(lǐng)域，電弧作為一種常用熱源，圍繞其開發(fā)的金屬零件增材制造技術(shù)備受人們的青睞。在電弧增材制造技術(shù)中，以電弧作為熱源，將金屬絲材進(jìn)行加熱熔化，按設(shè)定成形路徑在基板上堆積層片，層層堆敷直至金屬零件成形。成形零件由全焊縫金屬組成，具有致密度高、力學(xué)性能好、化學(xué)成分均勻、冶金結(jié)合性能好等優(yōu)點(diǎn)。而作為電弧熔絲增材零件性能優(yōu)異性的保障，大型電弧熔絲增材設(shè)備的研究也開始蓬勃發(fā)展。

由于電弧熔絲增材制造的應(yīng)用環(huán)境多種多樣，如制造零件，修復(fù)零件，模具再制造等，因此對(duì)于大型電弧熔絲增材制造設(shè)備的開發(fā)也多種多樣。為了滿足生產(chǎn)制造的需求，大型電弧熔絲增材制造設(shè)備被不斷改進(jìn)，不斷豐富，如今的大型電弧熔絲增材設(shè)備已經(jīng)不僅僅是一臺(tái)用于生產(chǎn)的機(jī)器，其正在逐漸演化為一個(gè)個(gè)的生產(chǎn)制造單元，集成了多種多樣的功能，達(dá)到快速、高效、穩(wěn)定地進(jìn)行電弧熔絲增材制造過(guò)程。到目前為止對(duì)于電弧熔絲增材設(shè)備已經(jīng)演化為多種多樣，功能和性能都各不相同。但目前還未有工作者分析總結(jié)電弧熔絲增材裝備的相關(guān)研究進(jìn)展及現(xiàn)狀。因此，本文重點(diǎn)歸納總結(jié)了當(dāng)前主流的電弧熔絲增材設(shè)備以及對(duì)電弧熔絲增材裝備的發(fā)展做出了展望。

1 電弧熔絲增材設(shè)備分類

1.1 傳統(tǒng)手工電弧熔絲增材裝備

這種裝備是在傳統(tǒng)的手工堆焊基礎(chǔ)上發(fā)展來(lái)的。典型的傳統(tǒng)熱模鍛鍛模的堆焊方式一般是MIG或者M(jìn)AG（熔化極活性氣體保護(hù)電弧焊），焊工通過(guò)電弧熔化焊絲進(jìn)行堆焊。這種堆焊方式就是電弧熔絲增材制造的原型?，F(xiàn)如今，仍然存在于很多生產(chǎn)加工車間。其用途主要是在模具修復(fù)、精整整形等只需要少量加工且靈活性較高的地方。傳統(tǒng)手工電弧熔絲增材裝備已經(jīng)具備了熔絲增材的核心功能，但是受限于工作環(huán)境及生產(chǎn)效率等因素。

1.2 自動(dòng)化電弧熔絲增材裝備

這種裝備是在傳統(tǒng)手工電弧熔絲增材設(shè)備的基礎(chǔ)進(jìn)行的改進(jìn)。將原來(lái)的人工操作改進(jìn)為了機(jī)器程序驅(qū)動(dòng)，達(dá)到少人工甚至是無(wú)人工操作的目的。通過(guò)機(jī)器運(yùn)動(dòng)代替人工操作，不僅效率大大提高，精度也可以得到保障，所生產(chǎn)零件的各個(gè)部分的性能都均勻一致，克服了在傳統(tǒng)電弧熔絲增材制造時(shí)由于工人師傅經(jīng)驗(yàn)水平不一樣導(dǎo)致各部分性能形狀差異大的缺點(diǎn)?，F(xiàn)如今使用較為廣泛的電弧熔絲增材制造設(shè)備就是這種自動(dòng)化的熔絲增材設(shè)備。自動(dòng)化熔絲增材設(shè)備主要分為兩類，一類是基于龍門機(jī)床開發(fā)的電弧熔絲增材設(shè)備，這種設(shè)備的自由度數(shù)一般不多。另一種自動(dòng)化電弧熔絲增材設(shè)備是以機(jī)器人為基礎(chǔ)開發(fā)的，這種增材設(shè)備相比于龍門設(shè)備具有更加靈活的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的增材制造。這種電弧熔絲增材制造裝備一般包括控制箱、焊機(jī)、機(jī)器人、電腦、噴頭、激光輪廓儀以及工作平臺(tái)等部件組成。

1.3 大型電弧熔絲集成裝備

大型電弧熔絲集成裝備是集測(cè)量，熔絲增材，檢查，吸塵，監(jiān)控等多功能于一體的集成化的生產(chǎn)制造平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)多功能多應(yīng)用，能夠?yàn)槿劢z增材工藝過(guò)程提供全套多方面柔性化的服務(wù)。這種集成裝備平臺(tái)的成本高，技術(shù)難度大，目前還未進(jìn)行大規(guī)模普及，但已經(jīng)成為了研究的重點(diǎn)以及熱點(diǎn)。大型電弧熔絲集成平臺(tái)的部件結(jié)構(gòu)多樣，根據(jù)工序需求而定。如由重慶大學(xué)研制的大型電弧熔絲模具增材制造及錘擊去應(yīng)力集成裝備系統(tǒng)就是集成了電弧熔絲，錘擊消應(yīng)力，三維數(shù)據(jù)重構(gòu)的集成化系統(tǒng)，其能實(shí)現(xiàn)不同模塊之間的數(shù)據(jù)通訊共享，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)與監(jiān)控的無(wú)縫對(duì)接。

2 電弧熔絲增材設(shè)備發(fā)展歷史

電弧熔絲增材設(shè)備從最初的手工堆焊設(shè)備開始，逐漸被改進(jìn)優(yōu)化，形成了如今種類多樣，性能多樣的各種電弧熔絲增材設(shè)備。電弧熔絲增材設(shè)備的一步步改進(jìn)使得該工藝逐漸走向成熟，到如今正趨向于成為一種主流的制造工藝。

1925年美國(guó)的Ralph B以電弧作為熱源，用金屬材料熔化堆積，制造出了第一個(gè)電弧增材制造裝飾性物品，如圖1所示，并且申請(qǐng)了專利[5]。由于當(dāng)時(shí)的數(shù)字化技術(shù)還未成熟，因此沒有將之進(jìn)一步與增材制造相結(jié)合，在當(dāng)時(shí)并未掀起研究熱潮，也沒能發(fā)展成為現(xiàn)在的電弧增材制造技術(shù)。1972年，德國(guó)的Akira U等人首次應(yīng)用埋伏焊技術(shù)將金屬條作為原材料進(jìn)行熔融沉積[6]，這也是電弧熔絲增材設(shè)備被應(yīng)用的開端，到了20世紀(jì)70年代后期，西德開始大量使用絲材作為電弧熔絲增材制造的原材料進(jìn)行制造大尺寸的金屬零件[7]。此次電弧熔絲增材制造設(shè)備開始進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展時(shí)期，但是當(dāng)時(shí)的設(shè)備精度受到限制，智能制造一些精度要求不高的大型金屬零件。在八九十年代后期，隨著數(shù)字化工業(yè)的蓬勃發(fā)展，電弧熔絲增材設(shè)備也開始迎來(lái)巨大改進(jìn)，Ribeiro等人將CAD軟件與電弧熔絲增材設(shè)備相結(jié)合，成功制造出一個(gè)外表較為光滑的金屬花瓶，并且成功設(shè)計(jì)了一套機(jī)器人快速成型系統(tǒng)[8-9]。這是現(xiàn)如今自動(dòng)化電弧熔絲設(shè)備的基本參考模型。當(dāng)時(shí)通過(guò)這套系統(tǒng)成功打印出在未處理時(shí)就能滿足使用要求的零件。后來(lái)Spencer等人首次將熔絲槍頭固定到一個(gè)六軸的機(jī)器人上，并且對(duì)這臺(tái)設(shè)備裝備了一個(gè)紅外測(cè)溫檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電弧熔絲過(guò)程的內(nèi)部循環(huán)自動(dòng)精確控制，這位先進(jìn)電弧熔絲集成裝置的開發(fā)提供了思路。如今的電弧熔絲裝備都以逐漸成熟，滿足了當(dāng)下熔絲增材工藝的絕大部分需求[10]。

圖1 以電弧為熱源增材制造的第一個(gè)工件

3 電弧熔絲增材設(shè)備研究現(xiàn)狀

對(duì)于電弧熔絲增材設(shè)備的研究主要分為兩個(gè)方面，一個(gè)是設(shè)備本身性能的研究，另一個(gè)是設(shè)備生產(chǎn)性能的研究。對(duì)于設(shè)備自身性能的研究，主要是關(guān)注電弧熔絲增材設(shè)備在使用過(guò)程中的振動(dòng)特性以及強(qiáng)度校核。由于電弧熔絲增材過(guò)程中設(shè)備會(huì)進(jìn)行多個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，在振動(dòng)干擾或者是饒性彎曲條件下，設(shè)備的精度將會(huì)受到極大的影響，尤其是當(dāng)運(yùn)用六軸機(jī)器人進(jìn)行電弧熔絲增材時(shí)，由于懸臂結(jié)構(gòu)會(huì)使熔絲路徑出現(xiàn)很大偏差。對(duì)于設(shè)備生產(chǎn)性能的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行過(guò)大量研究，如大連理工張昭等人通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬對(duì)增材制造過(guò)程進(jìn)行了模擬分析，分析了溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力場(chǎng)的變化[11]；重慶大學(xué)通過(guò)在龍門電弧熔絲增材系統(tǒng)上增加錘擊系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)電弧熔絲工件的形狀和性能控制，制造出殘余應(yīng)力小甚至無(wú)的大型電弧熔絲增材構(gòu)件。目前，正應(yīng)用在大型航空模鍛件鍛模的再制造工程中。不僅如此，電弧熔絲增材制造設(shè)備的結(jié)構(gòu)也在進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，重慶大學(xué)溫志航通過(guò)有限元軟件MSC.marc的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)分析對(duì)裝備的對(duì)某大型電弧熔絲裝備的結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行了分析校核，并且比較了不同結(jié)構(gòu)下的受力及設(shè)備主橫梁的變形情況[12]。當(dāng)下對(duì)電弧熔絲增材設(shè)備的開發(fā)主要集中于硬件和軟件的共同開發(fā)，實(shí)現(xiàn)多功能高效率的增材制造。

4 電弧熔絲增材設(shè)備發(fā)展方向

當(dāng)前，電弧熔絲裝備已經(jīng)不再僅僅局限于制造出產(chǎn)品，更要制造出優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。一方面，電弧熔絲增材設(shè)備正朝著能制備高精度、高品質(zhì)的電弧熔絲增材件發(fā)展，達(dá)到精準(zhǔn)控形、控性的目的。另一方面，電弧熔絲增材設(shè)備正朝著柔性化、多功能化發(fā)展，通過(guò)不斷的改進(jìn)設(shè)備，集成功能模塊，達(dá)到設(shè)計(jì)制造一體化、高精度化、流程化、全局監(jiān)控的目的。此外，電弧熔絲增材制造設(shè)備正朝著智能化方向發(fā)展，在進(jìn)行生產(chǎn)制造過(guò)程中，設(shè)備安裝監(jiān)控測(cè)量系統(tǒng)對(duì)制造過(guò)程中的相關(guān)信息進(jìn)行采集，然后內(nèi)部循環(huán)自動(dòng)識(shí)別，最終達(dá)到快速制造，智能制造，柔性制造的目的。重慶大學(xué)權(quán)國(guó)政、周杰團(tuán)隊(duì)走在了此研究領(lǐng)域的前沿[12]，其自主研制開發(fā)了一套集成電弧熔絲增材，3D測(cè)量重構(gòu)，熱錘擊及吸塵，缺陷檢測(cè)，伺服控制，煙霧處理的智能化裝備系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享，能實(shí)現(xiàn)熔絲增材工藝的實(shí)時(shí)監(jiān)控及參數(shù)反饋，并把熔絲增材的前一步和后一步工序無(wú)縫耦合，實(shí)現(xiàn)了一體化和高效率制造，設(shè)備如圖2所示。電弧熔絲增材制造設(shè)備正在朝著一體化、智能化、精準(zhǔn)化、多功能化的方向發(fā)展。

圖2 電弧熔絲增材集成系統(tǒng)

5 結(jié)束語(yǔ)

電弧熔絲增材制造裝備主要分為傳統(tǒng)電弧熔絲增材裝備、自動(dòng)化電弧熔絲增材裝備以及大型電弧熔絲增材裝備系統(tǒng)。電弧熔絲增材設(shè)備從最開始的手工電弧焊設(shè)備為原型進(jìn)行一步步改進(jìn)最后成為了如今的數(shù)字化大型電弧熔絲增材設(shè)備集成平臺(tái)?，F(xiàn)如今對(duì)于電弧熔絲增材裝備的研究主要集中在設(shè)備自身性能以及設(shè)備的制造性能上。此外，本文對(duì)電弧熔絲增材設(shè)備的發(fā)展方向進(jìn)行了進(jìn)一步的展望，大型電弧熔絲增材裝備正朝著一體化、精準(zhǔn)化、柔性化以及智能化的方向發(fā)展，并且逐步集成，功能越來(lái)越多，加工精度越來(lái)越高，工藝參數(shù)越來(lái)越可控。