馬 馳，劉永紅，紀(jì)仁杰，李常龍

（ 中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東青島 266580 ）

近年來(lái)， 相較于傳統(tǒng)的減材制造， 增材制造（additive manufacturing，AM）由于其在結(jié)構(gòu)輕巧性、零件外形自由性、材料高利用性以及功能梯度材料的可制造性上等巨大優(yōu)勢(shì)吸引著航空航天與生物等工業(yè)的注意[1-4]。 常見的金屬增材制造按照能量來(lái)源及不同原材料可分為： 電子束選區(qū)熔化（electron beam selective melting，EBSM）、 激 光 選 區(qū) 熔 化（selective laser melting，SLM）、 激光近凈成形（laser engineered net shaping，LENS）及電弧增材制造（wire and arc additive manufacturing，WAAM）等。 其中，電弧增材制造由于采用電弧作為熱源、填充絲作為原材料，加上該技術(shù)本身就具有高堆積速率、高材料利用率、 低費(fèi)用及適用于制造大型構(gòu)件的優(yōu)勢(shì)，正成為一種具有發(fā)展?jié)摿Φ脑霾闹圃旆椒╗5-6]。

早在1920 年，Baker[7]就申請(qǐng)了使用可熔化電極采用金屬疊加堆積金屬飾品的專利。 此后，Ujiie[8]闡述了如何通過逐步堆積焊接金屬獲得圓形橫截面壓力容器的技術(shù)。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及其在制造領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，數(shù)字化焊接技術(shù)及數(shù)控設(shè)備徹底顛覆與重新定義了電弧增材制造技術(shù)。 近十年內(nèi)，電弧增材制造技術(shù)由于具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)獲得廣大研究者關(guān)注且發(fā)展迅速。 當(dāng)前電弧增材制造技術(shù)適用于碳鋼、鋁合金、鈦合金、鎳基合金及記憶合金的制造。 與常規(guī)的減材制造技術(shù)相比，電弧增材制造系統(tǒng)可減少40%～60%的制造時(shí)間及15%～20%的后處理時(shí)間[9]。

本文主要回顧了使用電弧增材制造技術(shù)制造零件時(shí)有關(guān)外形控制及金屬性能提高兩個(gè)方面的研究。 在相關(guān)研究的技術(shù)流派分類方面，本文將關(guān)于電弧增材制造的研究分為外形控制及材料質(zhì)量控制兩大流派，而根據(jù)實(shí)際采用的技術(shù)異同又可將這兩大流派細(xì)分為前處理、過程控制、后處理等多個(gè)小類。 下文將就此進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 典型電弧增材制造系統(tǒng)的構(gòu)成

通常， 電弧增材制造使用熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）、鎢極氣體保護(hù)焊（GTAW）或等離子弧焊（PAW）過程所產(chǎn)生電弧作為能量源，使用各種堆積絲作為原材料，使用六軸機(jī)械手或CNC 機(jī)床作為運(yùn)動(dòng)平臺(tái)（圖1）。 零件通過堆積絲的熔化及熔池的堆積冷卻來(lái)制備[10]。

常用的典型氣體保護(hù)裝置有兩種：第一種是封閉氣室，可提供類似于激光選區(qū)熔化級(jí)別的良好惰性氣體保護(hù)，但封閉氣室的大小將限制所制造零件的尺寸；另一種是局部氣體保護(hù)裝置，通常安裝于焊炬處，在堆積過程中僅對(duì)熾熱的熔池及熔池附近區(qū)域提供良好的局部惰性氣體保護(hù)氛圍，該裝置適合于制造大尺寸構(gòu)件。

圖2 是典型的電弧增材制造系統(tǒng)概況。 電弧增材制造系統(tǒng)主要涉及過程規(guī)劃、堆積及后處理。 過程規(guī)劃主要為3D 建模、3D 切片、 軌跡規(guī)劃及優(yōu)化等；堆積時(shí)，數(shù)字化電源與數(shù)控運(yùn)動(dòng)載具控制了熔池的精確堆積，這期間如溫度傳感器、激光輪廓儀、CCD 相機(jī)、電流電壓傳感器等均可在線工作，一方面?zhèn)鞲衅魉尚盘?hào)僅作為過程監(jiān)測(cè)來(lái)記錄過程狀態(tài)， 另一方面當(dāng)這些信號(hào)經(jīng)處理接入控制器后，可基于特殊算法實(shí)現(xiàn)對(duì)堆積過程的閉環(huán)控制，以保證精確控制某些物理量；后處理通常主要指各種機(jī)加工、熱處理及噴丸等方面的技術(shù)，以使零件達(dá)到最終使用要求。 當(dāng)前的電弧增材制造可用于制造鐵基、鋁基、鈦基及鎳基金屬零件。 由于不同材料的特性存在差異，所制備零件的缺陷也有所不同（圖3）。

2 電弧增材制造中的外形控制

由于電弧增材制造本質(zhì)上是基于一層層焊道的疊加，相較于其他金屬增材制造，存在外形尺寸不夠精確的問題。 有關(guān)提高電弧增材制造零件外形精度的研究可分為軌跡優(yōu)化、在線控制、復(fù)合減材制造等三大類。 本部分主要回顧了關(guān)于電弧增材制造過程中外形控制的相關(guān)研究。

2.1 軌跡優(yōu)化類

電弧增材制造是基于一層層焊道的疊加，而普通焊道存在起弧處較高、熄弧處較低的問題。 本部分主要研究在堆積前對(duì)過程參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的策略，以達(dá)到較好的成形精度。 如圖4 所示，采用交錯(cuò)式堆積，起弧處和熄弧處相互彌補(bǔ)，較好地實(shí)現(xiàn)了外形的控制，然而在部分場(chǎng)合下，同向式堆積非常必要。對(duì)此，熊俊[11]針對(duì)非封閉零件提出了在起弧處增大堆積速度、 在熄弧處減少電流和堆積速度的策略，減弱了起弧處與熄弧處的高度差。 此后，馬馳[12]基于已有數(shù)控設(shè)備運(yùn)行期間的參數(shù)被鎖定無(wú)法調(diào)整及缺乏前瞻算法的缺點(diǎn)，提出了在起弧處采用增大堆積速度及不同起弧段區(qū)長(zhǎng)度、在熄弧處減少堆積速度及多次停頓的策略，改善了同向堆積時(shí)外形不佳的問題（圖5）。

此外，李永哲[13]研究了電弧增材制造過程中的多層多道，考慮了熔池流動(dòng)的情況，提出了帶有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的迭代算法，可計(jì)算出優(yōu)化后的中心距離，且該算法與實(shí)際堆積過程相符合（圖6）。

熊俊[14]在不使用傾斜焊槍或旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的情況下，探索了如何使用水平堆積方式制造傾斜的薄壁件，分別通過改變偏移距離、送絲速度及焊接速度獲得了不同的最大傾斜角度（圖7）。 熔池主要受表面張力、電弧力、液滴沖擊力及重力作用；表面張力是維持熔池穩(wěn)定的唯一作用力；送絲速度主要改變熱輸入、電弧力及液滴沖擊力；熱輸入影響表面張力；焊接速度主要影響熱輸入，通過改變表面張力影響熔池形態(tài)。

李永哲[15]還進(jìn)一步探究如何在水平堆積情況下制造傾斜的多層多道零件，其研究結(jié)果表明：為實(shí)現(xiàn)良好的外形，可對(duì)材料不足的填充區(qū)域補(bǔ)充額外的填充金屬；在負(fù)斜率下，將焊道與已堆積的焊道并排放置在層邊緣，可獲得更好的成形形狀；堆積順序?qū)τ谡甭柿慵耐庑纬尚斡绊戄^?。▓D8）。

2.2 在線控制類

研究者還對(duì)電弧增材制造過程中的零件外形在線控制進(jìn)行了深入研究。 Kwak[16-18]在基于GMAW的電弧增材制造過程中進(jìn)行了在線檢測(cè)和控制研究（圖9a），使用了兩套結(jié)構(gòu)光傳感器在堆積過程中對(duì)零件外形（寬度和高度）進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，主要以所測(cè)寬度和高度為輸入， 采用所設(shè)計(jì)的雙輸入、雙輸出閉環(huán)系統(tǒng)，通過對(duì)堆積速度和送絲速度分別進(jìn)行控制，獲得了較好的零件外形（圖9b）。 在基于PAW 的電弧增材制造過程中，胡曉冬[19]使用被動(dòng)視覺傳感器對(duì)堆積過程進(jìn)行在線檢測(cè)， 采用模糊PID控制器通過控制電弧電流來(lái)控制熔寬。 熊俊[20-21]針對(duì)基于GMAW 的電弧增材制造成形不佳的問題進(jìn)行了一系列的研究。 針對(duì)焊道寬度控制，熊俊使用CCD 相機(jī)進(jìn)行了被動(dòng)視覺檢測(cè)，通過圖像處理算法可實(shí)時(shí)獲得焊道寬度的數(shù)據(jù)，并設(shè)計(jì)了一套單神經(jīng)元自學(xué)習(xí)PSD 控制器，通過在線控制堆積速度實(shí)現(xiàn)零件寬度的精確控制（圖10a）；針對(duì)堆積件高度，熊俊采用自適應(yīng)算法控制每一層的層高，但該算法不能完全實(shí)現(xiàn)對(duì)高度的控制， 每一層堆積完成后，工作臺(tái)需下降一定的高度，以抵消誤差（圖10b）。

2.3 復(fù)合減材制造類

在電弧增材制造過程中，通過復(fù)合銑削可獲得良好的成形表面。 通常是每堆積固定層數(shù)后就銑削控形或是在零件整體堆積完后整體銑削。 復(fù)合減材制造一般需交替進(jìn)行。 對(duì)于機(jī)械銑削而言，為避免冷卻液對(duì)下層堆積造成污染，一般使用壓縮空氣進(jìn)行冷卻。 Song[22-24]在電弧增材制造過程中復(fù)合了傳統(tǒng)的機(jī)械銑削， 針對(duì)堆積過程提出了不同的策略，獲得了良好的結(jié)果（圖11）。由于堆積件無(wú)需更換工位，夏然飛[25]采用機(jī)械銑削與電弧增材制造相復(fù)合的方法在同一臺(tái)設(shè)備上完成了增、減材制造，極大地提高了效率，具體是通過銑削頭及電弧增材頭的交替工作來(lái)實(shí)現(xiàn)，為避免二者相互干擾，還通過一套滑軌系統(tǒng)在保證銑削的同時(shí)使電弧增材頭上升而遠(yuǎn)離工件，防止其撞到焊炬（圖12）。

3 電弧增材制造中的材料質(zhì)量控制

在所有增材制造類研究論文中，針對(duì)電弧增材制造所制備零件材料性能的研究占據(jù)了大多數(shù)。 這些研究根據(jù)所采用方法的不同可分為在線熱軋類、冷軋類、表面處理類及電弧增材制造變型等。 本部分將回顧這些研究成果。

3.1 在線熱軋類

不同于其他增材制造，電弧增材制造過程中的熔池通常較大。 由于具有較大的熱輸入，熔池凝固后將在一段時(shí)間內(nèi)（該時(shí)間較短）保持高溫狀態(tài)。 而提高電弧電壓與電流將增大熱輸入，焊道保持高溫的時(shí)間將延長(zhǎng)，從而適于各種熱加工。 熱軋便是其中典型的技術(shù)流派。 在線熱軋巧妙利用高溫焊道的余熱進(jìn)行熱加工，節(jié)省了能源、提高了效率；同時(shí)由于高溫下的材料強(qiáng)度較低，顯著地降低了軋制載荷和設(shè)備剛度要求且減少了采購(gòu)費(fèi)用。 在線熱軋不僅顯著增強(qiáng)了材料性能，也提高了材料外形精度。

張海鷗在2013 年首次提出了混合沉積和微軋制（hybrid deposition and micro-rolling，HDMR）的方法[26]。 該方法在焊炬后方安裝了隨著焊炬同步運(yùn)動(dòng)的小軋輥，通過調(diào)節(jié)小軋輥與焊炬的距離實(shí)現(xiàn)對(duì)軋制溫度的控制， 可保證軋制溫度高于再結(jié)晶溫度，而小軋輥?zhàn)饔糜诟邷睾傅赖纳媳砻嬉詫?shí)現(xiàn)在線熱軋（圖13）。 熱軋的目的是細(xì)化微觀結(jié)構(gòu)、消除部分缺陷。 以該方法制備的零件，其強(qiáng)度提高33%、塑性提高2 倍，且零件成形精度也有所提高（圖14）。 由于堆積和熱軋同步進(jìn)行，制造效率較高。

之后，張海鷗采用HDMR 制備了中碳鋼航空部件[27]，探究了HDMR 對(duì)溫度與微觀組織的影響。 由于微軋輥的冷卻作用，HDMR 軋制后的溫度驟然下降；由于微軋輥的軋制作用，焊縫的柱狀枝晶被轉(zhuǎn)化成破碎枝晶，而下一層堆積過程再加熱及塑性變形能共同促進(jìn)破碎枝晶再結(jié)晶， 晶粒尺寸因而減小。此外，采用HDMR 方法制備的零件在強(qiáng)度、塑性及硬度方面均強(qiáng)于其他方法制備的零件，在該研究中采用HDMR 制備的零件已達(dá)到航空金屬零件的標(biāo)準(zhǔn)（圖 15）。

張海鷗還使用二維元胞自動(dòng)機(jī) （cellular automata，CA） 與有限元方法 （finite volume method，F(xiàn)VM）耦合對(duì)HDMR 凝固過程的微觀組織演變及軋制變形期間的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶進(jìn)行了模擬[28]，探究了軋制減少量對(duì)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)域比例、平均當(dāng)量動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的晶粒半徑及動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)域面積的影響。 其結(jié)果表明：當(dāng)熔池凝固時(shí)，柱狀晶在固液界面附近成核， 晶粒沿著其晶體學(xué)取向向熔池中心生長(zhǎng)，最終粗大的柱狀晶占據(jù)了整個(gè)熔池空間。 在隨后的軋制中，當(dāng)軋制減小量對(duì)應(yīng)的累計(jì)位錯(cuò)密度達(dá)到熱加工的臨界值時(shí)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶被觸發(fā)，并從高能量的晶粒邊界、晶粒缺陷（如位錯(cuò)等）處成核及長(zhǎng)大。 由于HDMR 過程中的溫度和變形分布不均勻，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的晶粒不均勻地從頂部分布到底部。 從頂部到底部分別為完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)域、不完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)域（過渡區(qū)）及非動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)域（圖16）。從底部到頂部，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的晶粒尺寸逐漸增大，這是由于頂部區(qū)域在高溫與較大變形能下經(jīng)歷了較長(zhǎng)的時(shí)間，晶粒過度長(zhǎng)大；此外，較大的滾壓減少量將產(chǎn)生面積更大的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)域。 該仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀察的枝晶在總體趨勢(shì)上保持一致， 對(duì)于探究HDMR 過程中微觀結(jié)構(gòu)的演變意義重大。

在此之后，張海鷗團(tuán)隊(duì)還研究了HDMR 方法對(duì)貝氏體鋼的影響[29]。 相較于 WAAM 零件，HDMR 制備零件的晶粒尺寸減小到7 μm， 基本消除了各向異性，沖擊韌性提高3 倍且塑性更好，性能可達(dá)鍛件水平，其顯著的晶粒細(xì)化可歸功于初始優(yōu)化的焊接條件及在奧氏體非結(jié)晶區(qū)高達(dá)44.4%的變形量。

3.2 冷軋類

不同于在線熱軋，層間冷軋可被視為后處理技術(shù)，通常是在堆積固定層數(shù)后實(shí)施或在整體堆積完后進(jìn)行。 由于層間冷軋需在堆積零件處于室溫時(shí)進(jìn)行，此時(shí)材料強(qiáng)度較高，為達(dá)到預(yù)定的變形量，所需冷軋載荷較大，通常需通過重型龍門機(jī)床實(shí)現(xiàn)。 此外， 由于電弧堆積與層間冷軋是分離的兩個(gè)過程，層間冷軋不會(huì)影響電弧堆積過程的穩(wěn)定性，便于進(jìn)行各種類型材料冷軋研究。

冷軋最早應(yīng)用于焊縫，通過材料塑性變形釋放殘余應(yīng)力[30]，之后被引入電弧增材制造中。Colegrove較早地探索了高壓層間冷軋對(duì)電弧增材制造制備零件的影響[31]。在該研究中，電弧堆積與層間冷軋交替進(jìn)行（圖17 和圖18），顯著減小了變形及殘余應(yīng)力，甚至生成了有益的殘余壓應(yīng)力，同時(shí)獲得了顯著的晶粒細(xì)化，這歸功于軋制過程中產(chǎn)生的大變形（較高的位錯(cuò)密度） 在下一層的再加熱過程中促進(jìn)了較細(xì)奧氏體晶粒的生成，隨著冷卻的進(jìn)行，較細(xì)的奧氏體晶粒轉(zhuǎn)化為小尺寸的鐵素體晶粒。 此外，槽型軋輥在材料性能提高方面優(yōu)于異型軋輥。

在電弧增材制造制備的Ti-6Al-4V 零件中，由于其特殊的凝固條件，通常會(huì)生成較大較粗的柱狀β 晶粒，這降低了材料性能。 Martina 使用高壓層間冷軋技術(shù)處理電弧增材制造制備的Ti-6Al-4V 零件[32]，零件微觀組織從初始較大的柱狀β 晶粒轉(zhuǎn)化為尺寸在56～139 μm 之間的等軸晶。軋制產(chǎn)生的大變形提供了較大的位錯(cuò)密度與變形能量，促進(jìn)下一層堆積時(shí)的再加熱過程中的再結(jié)晶， 細(xì)化了晶粒，其研究也表明變形量對(duì)再結(jié)晶過程起主要作用。Donoghue[33]也探究了層間冷軋對(duì)鈦合金零件的影響，其研究表明：在電弧增材制造過程中，每層僅需較低的變形即可大幅度減小β 晶粒的尺寸。 EBSD的分析表明，初始厘米級(jí)的較大β 柱狀晶尺寸可減小至 100 μm 以下（圖 19）。

顧江龍[34]研究了熱處理及層間冷軋對(duì)Al-6.5Cu合金的增強(qiáng)效果。 在該研究中，層間冷軋采用的軋制載荷分別為 15、30、45 kN。 研究結(jié)果表明： 采用45 kN 層間冷軋制作的零件， 其強(qiáng)度極限和屈服強(qiáng)度分別可達(dá)314、244 MPa， 然而堆積后熱處理比冷軋更有效，經(jīng)T6 熱處理的未軋制與經(jīng)T6 熱處理后的45 kN 軋制零件，其強(qiáng)度極限和屈服強(qiáng)度都分別達(dá)到 450、305 MPa，超過鍛造 2219-T6 合金時(shí)的強(qiáng)度（圖 20）。

顧江龍還研究了層間軋制對(duì)Al-Mg4.5Mn 合金的影響[35]，發(fā)現(xiàn)在電弧增材制造過程中，層間冷軋的應(yīng)用顯著地提高了該合金零件的性能，相較于未采用層間冷軋的情況，采用層間冷軋的零件在平均顯微硬度、屈服強(qiáng)度以及強(qiáng)度極限性能方面分別增強(qiáng)了40%、69%及18.2%，同時(shí)材料的塑性未有明顯下降，此時(shí)材料性能的提高可歸功于晶粒細(xì)化、變形強(qiáng)化及固溶強(qiáng)化。

然而，由于層間冷軋需使用高達(dá)75 kN 的軋制載荷，所用設(shè)備笨重與龐大且采購(gòu)費(fèi)用高昂，層間冷軋當(dāng)前僅適用于處理外形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的零件。

3.3 表面處理類

表面處理方法也應(yīng)用于電弧增材制造中，這屬于典型的后處理技術(shù)。 常見的表面處理方法有機(jī)械沖擊、激光沖擊強(qiáng)化、噴丸等。 通常，表面處理方法的作用厚度有限，只能提高表層材料的性能，適用于對(duì)表面質(zhì)量要求較高的場(chǎng)合。 Honnige[36]采用氣動(dòng)工具產(chǎn)生了約200 Hz 的中等頻率振動(dòng)，通過小直徑壓頭錘擊材料，提高了Ti-6Al-4V 的性能（圖21）。其研究表明，壓頭尖端經(jīng)歷了彈性變形及較大的塑性變形，得到了厚度3 mm 的表層晶粒細(xì)化區(qū)。硬度測(cè)量和EBSD 圖可用于識(shí)別冷加工區(qū)域下的塑性變形材料，以預(yù)測(cè)晶粒細(xì)化區(qū)的最小尺寸。孫如建[37]使用激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)處理電弧增材制造制備的2319 鋁合金零件。如圖22 所示，表層區(qū)內(nèi)平均晶粒尺寸從59.7 μm 下降到46.7 μm，產(chǎn)生了厚度為1.2 mm 的表面硬度提高層，且在厚度超過0.75 mm 時(shí)，殘余應(yīng)力從拉伸狀態(tài)轉(zhuǎn)化為壓縮狀態(tài)。 此外，以塑性顯著降低為代價(jià)， 屈服強(qiáng)度提高了72%（圖23）。硬度顯著提高，可歸功于高密度位錯(cuò)和機(jī)械欒晶。

3.4 電弧增材制造變型類

在傳統(tǒng)的電弧增材制造中，電弧產(chǎn)生于堆積絲或鎢極與基板或焊道之間，電弧在熔化堆積絲的同時(shí)也將加熱焊道，形成較大熱影響區(qū)且分層明顯。

賈傳寶[38]創(chuàng)新地提出一種強(qiáng)制約束型電弧增材制造技術(shù)（CC-WAAM）。 高溫電弧主要產(chǎn)生于封閉氣室內(nèi)的堆積絲與鎢極之間，大部分的電弧熱量用于熔化堆積絲而非加熱基板或焊道，減少了電弧增材制造過程中對(duì)前一層焊道的熱輸入（圖24）；由于電弧與熔滴在保護(hù)氣的裹挾下噴射通過較細(xì)的陶瓷噴嘴，電弧受到約束，產(chǎn)生高挺度電弧等離子，該電弧在熔滴過渡中起保溫作用，以保證與前一層焊道之間良好結(jié)合。 該方法相當(dāng)于剝離了傳統(tǒng)電弧增材制造過程中電弧的產(chǎn)生、堆積絲的熔化與基板或前一層焊道的聯(lián)系，由于電弧產(chǎn)生于堆積絲與鎢極之間， 基本不受堆積速度影響而始終保持穩(wěn)定，提高了電弧增材制造過程的穩(wěn)定性和操作性。

賈傳寶還設(shè)計(jì)加工了帶耐高溫玻璃水冷銅噴嘴，借助高速攝像機(jī)觀察了CC-WAAM 期間在密閉空間的電弧和熔滴的物理生成過程[39]（圖25）。 結(jié)果表明：在低水平電參數(shù)下，電弧行為和熔滴轉(zhuǎn)移非常不穩(wěn)定， 導(dǎo)致熔滴轉(zhuǎn)移直徑較大且過渡頻率較低；在高水平電參數(shù)下，可獲得直徑0.8 mm 的熔滴和300 Hz 的頻率； 氣體會(huì)在低電參數(shù)下使電弧彌散，并在高電參數(shù)下使電弧飽滿。 此外，賈傳寶還對(duì)熔滴進(jìn)行了力分析，并解釋了熔滴過渡軌跡。

賈傳寶在CC-WAAM 過程中使用高速攝像機(jī)觀察了電弧、熔滴以及熔池的動(dòng)態(tài)行為，研究了狹窄空間內(nèi)可能發(fā)生的相互作用[40]（圖26）。 結(jié)果表明：噴射等離子體的溫度至少為6000 K；初步建立了電流和熔滴直徑之間的關(guān)系， 以預(yù)測(cè)熔滴尺寸，盡管液體擴(kuò)散及積聚導(dǎo)致堆積層的最小寬度大于熔滴直徑，但所得熔滴最小直徑為0.89 mm，為增強(qiáng)增材制造層的精度提供了較大的潛力；在較寬的參數(shù)范圍下，堆積層表現(xiàn)出良好的外觀，表明該技術(shù)適用性較好。

4 討論與結(jié)論

當(dāng)前針對(duì)電弧增材制造的研究中，提高堆積過程的穩(wěn)定性、消除或減少堆積缺陷以制備出高質(zhì)量和高機(jī)械強(qiáng)度的零件是重點(diǎn)內(nèi)容。 電弧增材制造涉及電磁、材料、冶金、傳熱、流體等眾多技術(shù)方面，整體較為復(fù)雜，通常需進(jìn)行整體系統(tǒng)分析才能制備出高質(zhì)量、無(wú)缺陷的零件。 對(duì)此，可考慮以下四個(gè)重要點(diǎn)：原材料的優(yōu)化、制造過程、后處理過程及其他新穎的電弧增材制造技術(shù)改型。

（1）當(dāng)前電弧增材制造過程中，大多數(shù)的堆積絲采用技術(shù)成熟、價(jià)格便宜的焊絲。 如果填充絲存在小缺陷， 對(duì)于焊接過程中的焊縫影響可能不大，但電弧增材制造制備的零件全部由熔覆金屬構(gòu)成，填充絲的缺陷將在零件中累積，會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)料的后果。 因而相較于焊接，電弧增材制造對(duì)填充絲的質(zhì)量要求更高。 為細(xì)化晶粒及提高堆積的穩(wěn)定性，可在填充絲中添加一些成核元素或其他元素，從而開發(fā)出新配方的堆積絲。 此外，拓寬當(dāng)前電弧增材制造技術(shù)可制備的材料種類也十分必要，可增加其應(yīng)用范圍。 當(dāng)前，在電弧增材制造中，除了常規(guī)的鐵基、鋁基、鈦基、鎳基等金屬外，形狀記憶合金也能被成功制備[41]。

（2）在堆積過程中，合適的參數(shù)也是保證零件質(zhì)量的關(guān)鍵。 對(duì)于碳鋼材料來(lái)說，普通的直流模式即可保證其質(zhì)量，而對(duì)于鋁合金而言，若采用相同的方法將產(chǎn)生顯著的氣孔缺陷，若采用CMT-PADV方法，氣孔缺陷將顯著減少。 對(duì)不同材料而言，特定的工藝是必需的。 此外，過程溫度監(jiān)控、電弧特性監(jiān)控及熔滴過渡監(jiān)控都十分必要，有利于保證堆積過程的穩(wěn)定性及避免缺陷生成。

（3）后處理是保證電弧增材制造件性能的另一個(gè)重要途徑，通常用于降低殘余應(yīng)力及變形、細(xì)化晶粒、增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度與硬度。 常見的后處理有熱處理、噴丸和超聲沖擊強(qiáng)化等。 然而，當(dāng)前噴丸及超聲沖擊強(qiáng)化技術(shù)僅能處理表層的材料性能，作用范圍有限，存在較大局限性。 今后，需研究更加新穎的后處理方法，以減少缺陷和提高性能。

（4）其他基于電弧增材制造技術(shù)的創(chuàng)新改型也是目前該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，部分方法可從根本上改變當(dāng)前電弧增材制造技術(shù)中存在的一些問題，這對(duì)于電弧增材制造的發(fā)展十分必要。

本文對(duì)電弧增材制造技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)及技術(shù)流派進(jìn)行了詳細(xì)回顧，主要涉及為提高外形精度及材料性能而開展的各種有益嘗試。 本文劃分技術(shù)流派時(shí)，與常見的根據(jù)材料、性能提高等劃分方法不同，也未過多地將關(guān)于電弧形態(tài)、熔滴過渡及溫度分布等研究考慮在內(nèi)，旨在為研究人員提供不同的分析視角。 當(dāng)前，部分電弧增材制造產(chǎn)品在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下已達(dá)到了商用標(biāo)準(zhǔn)，但如何在商業(yè)環(huán)境下保持較高良品率及操作的便利性，仍是巨大挑戰(zhàn)。 電弧增材制造集成了物理焊接、熱機(jī)械工程、材料科學(xué)及機(jī)電一體化技術(shù)， 其優(yōu)化過程通常顧此失彼，較為復(fù)雜。 不同材料、不同形狀規(guī)格的零件所采用的工藝差別較大，開發(fā)一款在保證產(chǎn)品質(zhì)量的條件下的能制造所有材料及不同規(guī)格零件的設(shè)備難度非常大。 未來(lái)，針對(duì)特定材料或特定零件開發(fā)特定的機(jī)床將是較為可行的途徑，這將加快電弧增材制造技術(shù)的商用及提高市場(chǎng)占有率。