營(yíng)夢(mèng)，郭純，李云，康泰宇

安徽科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 安徽鳳陽(yáng) 233100

1 序言

電弧增材制造（WAAM）類似于3D打印技術(shù)，通過(guò)應(yīng)用電弧產(chǎn)生的熱量來(lái)提供工作時(shí)的熱源，將金屬絲材熔化，并按預(yù)先設(shè)定的路徑將熔融金屬絲材一層一層地堆積在基板上，冷卻成形為最終設(shè)計(jì)的零件[1]，因此幾乎可以滿足任意復(fù)雜零件的制造，且致密度高、冶金結(jié)合性能好、化學(xué)成分均勻、力學(xué)性能好。

該技術(shù)成形材料主要集中在鈦合金、不銹鋼、鋁合金等。鋁合金是在生鋁之中添加碳元素以及其他合金化元素而形成的一種合金，因其具有良好的可塑性，以及塑造性較強(qiáng)，適合電弧增材制造技術(shù)，故可作結(jié)構(gòu)成形材料使用[2-6]，隨著航天航空等重要技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)一步革新和發(fā)展，這對(duì)復(fù)雜鋁合金構(gòu)件的制造技術(shù)提出了新的要求，因此鋁合金的增材制造技術(shù)成為了研究的重點(diǎn)。圖1所示為利用WAAM技術(shù)制作的鋁合金水泵轉(zhuǎn)子。

圖1 利用WAAM技術(shù)制作的鋁合金水泵轉(zhuǎn)子

2 電弧增材制造技術(shù)概述

2.1 電弧增材制造技術(shù)定義

增材制造技術(shù)在加工時(shí)，所成形狀是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，以導(dǎo)程線路為加工工序進(jìn)行加工，使材料層層堆積，形成規(guī)定形狀，從而制造出所需的零部件，電弧增材制造熱源是電弧，并以Ar等惰性氣體保護(hù)，通過(guò)不斷熔化的焊絲沿著計(jì)劃路徑逐層沉積，最終得到相似的形狀[7-11]。一般可將電弧制造技術(shù)分為兩種：一種是非熔化極氣體保護(hù)焊增材制造，如鎢極惰性氣體保護(hù)焊，以鎢針作為電弧載體，其熱源和送絲相互獨(dú)立，電弧穩(wěn)定，飛濺小。另一種是熔化極氣體保護(hù)焊增材制造，其原料是絲材，與GTAW相比，具有熱量集中、工作效率高、沉積快、堆焊結(jié)構(gòu)好，以及熱輸入小等優(yōu)點(diǎn)[12-19]。Fronius針對(duì)熔化極氣體保護(hù)焊的焊接飛濺與電弧不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，研發(fā)了冷金屬過(guò)渡（CMT）技術(shù)，其具有熱輸入小、無(wú)飛濺、電弧穩(wěn)定的特點(diǎn)，在材料制造中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因此目前GMAW技術(shù)又分為普通熔化極氣體保護(hù)焊和CMT技術(shù)。

2.2 電弧增材制造技術(shù)特點(diǎn)

電弧增材制造（見(jiàn)圖2）與其他正常制造技術(shù)的重要區(qū)別在于通常由常見(jiàn)的焊接電源作為電弧熱源，如熔化極氣體保護(hù)焊、鎢極氬弧焊等焊接設(shè)備。其與激光、電子束熱源相比，成本低，適應(yīng)性強(qiáng)[20-24]。

圖2 WAAM工作原理

電弧增材制造具有如下特點(diǎn)：

1）智能化制造：在無(wú)需模具、工裝夾具和刀具的情況下，可實(shí)現(xiàn)智能化制造成形。

2）周期短：通常只需幾十分鐘到數(shù)個(gè)小時(shí)，制造周期短，特別適合單件或小批量生產(chǎn)。

3）柔性和適應(yīng)性強(qiáng)：傳統(tǒng)減材制造復(fù)雜零件需5軸以上數(shù)控機(jī)床，不僅成本高，而且受刀具、零件體積及形狀限制，甚至部分復(fù)雜結(jié)構(gòu)依舊難以加工。

4）材料利用率高：零件是通過(guò)逐層堆積進(jìn)行增材制造，而不是傳統(tǒng)形式的減材制造，成形的零件只需簡(jiǎn)單的加工或者表面處理就可使用。

2.3 電弧增材制造技術(shù)應(yīng)用

電弧增材制造相對(duì)于其他制造技術(shù)來(lái)說(shuō)，其特點(diǎn)如下：制造周期短；自動(dòng)化程度高；原材料利用率高，對(duì)零件尺寸的限制少。

電弧增材技術(shù)雖沒(méi)有普遍使用，但是在少量重要領(lǐng)域，電弧增材技術(shù)應(yīng)用確實(shí)很多，如：全焊縫金屬成分高，密度高，力學(xué)性能好，已用于生物醫(yī)學(xué)、航空航天等領(lǐng)域，并且有望在更多領(lǐng)域得到廣泛使用[25-29]。

英國(guó)學(xué)者在焊接工程研究中心做了大量研究，利用堆焊技術(shù)將金屬形狀沉積技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)身快速制造上，這使得許多航天企業(yè)都使用WAAM技術(shù)，并使直接成形大型結(jié)構(gòu)件越來(lái)越方便，縮短了大型結(jié)構(gòu)件的研制周期[30]。

針對(duì)航空航天領(lǐng)域的鋁合金軸承、機(jī)艙截面、框架梁及格柵等典型結(jié)構(gòu)零件，首都航天機(jī)械有限公司、北京航興機(jī)械制造有限公司、華中科技大學(xué)等都進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了應(yīng)用試生產(chǎn)，如管道支撐件（2219合金）、殼體模擬零件（4043合金）、框架梁結(jié)構(gòu)（5B06合金）及網(wǎng)格結(jié)構(gòu)（4043合金）等[31-35]。

3 鋁合金電弧增材制造技術(shù)研究發(fā)展現(xiàn)狀

利用離散型堆積原理，增材制造將零部件進(jìn)行加工，根據(jù)加工路線進(jìn)行層層堆積成形，從而將零件的三維模型進(jìn)行成形，然后再進(jìn)行材料逐層填充成為一種快速成形技術(shù)。該技術(shù)可制造出致密度高、結(jié)合性能好、幾何形狀精確、表面光滑的試件，能夠滿足鋁合金零件呈現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)輕量化、性能復(fù)合化等優(yōu)勢(shì)[36-41]。

3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)初，增材制造這個(gè)概念是來(lái)自美國(guó)的一工程師提出的，他通過(guò)堆焊的方法來(lái)進(jìn)行金屬工件堆積成形制造的技術(shù)[14]，但之后該技術(shù)由于各種原因并未得到推廣與應(yīng)用，這是科技的一次滯后性或者停止性發(fā)展。

（1）基于GMAW的鋁合金電弧增材制造技術(shù)研究現(xiàn)狀 早在1980左右，國(guó)外學(xué)者便開(kāi)始對(duì)GMAW快速成形技術(shù)進(jìn)行了大量研究。研究基礎(chǔ)是熔化極氣體保護(hù)焊接，具有許多相比于其他技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，比如快速成形技術(shù)所需機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，但也有其他有待提升的方面。例如，同時(shí)也具有熱輸入量大、需耐高溫加工機(jī)械，以及成形精度低等缺點(diǎn)。

ORTEGA A G等[42]通過(guò)采用基于霍爾效應(yīng)的電流傳感器來(lái)記錄增材過(guò)程中的所有電流和電壓波形，以更好地掌握其幾何形狀，從而提高工藝參數(shù)。進(jìn)而更好地提升CMT增材制造成形件的尺寸精度；還使用優(yōu)化的參數(shù)進(jìn)行了100層堆疊的鋁合金CMT增材制造試驗(yàn)，從而獲得具有由標(biāo)準(zhǔn)偏差估算的寬度精度的100層鋁合金CMT薄壁零件，由于添加多層薄壁時(shí)的熱量累積，需要逐漸提高焊接速率以維持恒定的層寬。

近年來(lái)，針對(duì)GMAW，以及電弧增材制造的成形零件結(jié)構(gòu)和性能的研究工作僅處于結(jié)構(gòu)分析、描述相關(guān)性能規(guī)律的階段，缺少大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)獲取通用規(guī)律并進(jìn)行更深一層的理論和機(jī)理分析。因此，如何加深機(jī)理分析以及高效提高鋁合金GMAW零件的力學(xué)性能，將成為接下來(lái)研究工作的重點(diǎn)之一。

2008年，韓國(guó)KANGA B Y等[43]采用在熔池區(qū)域供給更換變動(dòng)保護(hù)氣體的方法，解決了鉛焊接及增材制造時(shí)產(chǎn)生的氫氣孔問(wèn)題。結(jié)果表明，當(dāng)純Ar與33%Ar+67%He混合氣體分別作比較時(shí)，在Ar氣和He氣交替保護(hù)作用下，氣孔率顯然更低，如圖3所示。因此，利用此方法可以很大程度地減少鋁合金焊接及增材制造過(guò)程中氫氣孔產(chǎn)生趨勢(shì)，但是該方法對(duì)裝置要求較高，且氣體成本也較高。

圖3 不同保護(hù)氣類型下的氣孔數(shù)量[43]

與傳統(tǒng)的氣體供應(yīng)方法相比，該技術(shù)通過(guò)在相同的焊接條件下交替供應(yīng)Ar和He來(lái)提供最低的焊接孔隙率；在相同的焊接條件下，與常規(guī)方法提供Ar和Ar+67%He的焊接相比，Ar和He交替供給進(jìn)行的焊接產(chǎn)生了最深和最寬的焊接熔深曲線；與Ar+67%He相比，Ar和He的交替供給具有減少焊接孔隙率和改善焊接形狀的優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)然，上述研究并不是孤立存在的，通過(guò)開(kāi)發(fā)測(cè)試平臺(tái)和系統(tǒng)來(lái)進(jìn)一步研究工藝與性能之間的關(guān)系，以便在過(guò)程優(yōu)化中獲得更直觀的結(jié)論。

（2）基于GTAW鋁合金電弧增材制造技術(shù)研究現(xiàn)狀 基于GMAW增材制造研究的同時(shí)，國(guó)外許多研究者也將研究方向轉(zhuǎn)至基于GTAW的電弧增材制造技術(shù)，因其熱輸入較GMAW小，成形精度會(huì)更高。

美國(guó)Southern Methodist大學(xué)OUYANG等[44]采用GTAW工藝堆焊5356鋁合金構(gòu)件進(jìn)行研究，結(jié)果表明，影響零件尺寸精度和表面質(zhì)量的主要因素有電弧長(zhǎng)度、基板預(yù)熱溫度和層間溫度，圖4所示為快速成形件。挪威科技大學(xué)相關(guān)研究人員利用電弧增材制造技術(shù)制備5183鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，成形樣件微觀組織和力學(xué)性能良好，但是需要進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)，以減少氣孔和熱裂紋產(chǎn)生。

圖4 快速成形的零件[44]

CHO等[45]利用GTAW系統(tǒng)探究了鋁合金變極性熱輸入的影響，成果顯示，鎢極尖端磨損對(duì)脈沖電弧的穩(wěn)定性有一定的干擾。

綜上所述可以看出，近兩年的研究主要還是通過(guò)不同的工藝試驗(yàn)對(duì)工藝方法進(jìn)行優(yōu)化，探究工藝過(guò)程對(duì)組織性能的影響因素。

3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

（1）基于GMAW的鋁合金電弧增材制造技術(shù)研究現(xiàn)狀 南京理工學(xué)者何磊[46]以鋁合金雙脈沖GMAW為研究著手點(diǎn)，進(jìn)行雙脈沖增材制造工藝試驗(yàn)，當(dāng)加以低頻脈沖時(shí)，電弧的特性對(duì)增材試樣有諸多影響，研究結(jié)果表明，雙脈沖GMAW增材制造技術(shù)可明顯減少試樣中的氣孔數(shù)量，試樣的顯微組織主要為等軸晶，晶粒尺寸隨著低頻頻率的增加先減小后增大，頻率為1Hz時(shí)晶粒尺寸最小，當(dāng)電弧特性從-10%變化到+10%時(shí)，在-3%和+3%時(shí)增材試樣的力學(xué)性能達(dá)到最大值。圖5所示為不同低頻頻率下多層單道直壁體外觀形貌。

圖5 多層單道直壁體外觀形貌[46]

該項(xiàng)研究中雙脈沖電弧增材制造與傳統(tǒng)的增材制造方法相比，制造過(guò)程中可以更有效地去除鋁合金中的氣孔。另外，當(dāng)?shù)皖l頻率為3Hz時(shí)幾乎無(wú)明顯氣孔，而直流脈沖堆敷的直壁體截面在底部和頂部有些許氫氣孔存在，為類似研究提供了良好的參考。

劉一博等[47]采用CMT技術(shù)研究了關(guān)于縱向磁場(chǎng)在鋁/鋼增材制造過(guò)程中的相關(guān)機(jī)理，試驗(yàn)表明，通過(guò)附加磁場(chǎng)可以變更電弧等離子體的運(yùn)動(dòng)行徑，從而影響了電弧在基板表面和熔池內(nèi)部的熱能傳輸。結(jié)果表明，CMT解決了GMAW飛濺和電弧不穩(wěn)定的問(wèn)題，但是由于其有限的焊滴轉(zhuǎn)移形式，CMT技術(shù)不適用于需要重疊附加沉積層的工作條件，這限制了其在厚壁領(lǐng)域的使用。

國(guó)內(nèi)對(duì)GMAW成形工藝和表面質(zhì)量的研究主要涉及成形工件的工藝優(yōu)化，包括電弧特性和外部磁場(chǎng)的使用。從優(yōu)化工藝參數(shù)方面來(lái)說(shuō)，當(dāng)前主要利用試驗(yàn)方法，面對(duì)各種不同的材料和焊接方法，選取重要的影響因素。

（2）基于GTAW的鋁合金電弧增材制造技術(shù)研究現(xiàn)狀 伴隨著工業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)程，越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)企業(yè)、高校相繼以材料成形工藝與控制開(kāi)展了對(duì)電弧增材制造技術(shù)的研究。

通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控，反饋和對(duì)堆積狀態(tài)的在線控制，可以實(shí)現(xiàn)精確控制電弧增材制造的過(guò)程。從目前的文獻(xiàn)資料來(lái)看，因?yàn)橐曈X(jué)傳感不用直接接觸，信息內(nèi)容豐富，所以其以靈敏度和清晰度較高，以及模仿人類視覺(jué)行為的優(yōu)點(diǎn)而成為最有前途的感測(cè)方法之一。上海交通大學(xué)的侯震[48]以鋁合金在脈沖GTAW焊接過(guò)程中電弧聲信號(hào)的熔透特性為研究起點(diǎn)，進(jìn)行大量試驗(yàn)研究，通過(guò)推算與演練，分析出通透性識(shí)別系統(tǒng)模型對(duì)工件加工時(shí)的焊接有著很大影響，這套時(shí)域-頻域特征的提取與識(shí)別系統(tǒng)，并創(chuàng)建了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，在此基礎(chǔ)上創(chuàng)建了聲波信號(hào)和熔透狀態(tài)相關(guān)性模型，并研發(fā)了相關(guān)的軟件系統(tǒng)，焊件的焊縫成形質(zhì)量得到了顯著的提升。與主動(dòng)視覺(jué)傳感對(duì)比，被動(dòng)視覺(jué)傳感不需要增加額外光源，直接利用弧光照明檢測(cè)區(qū)域。WANG等[49]采用鎢極氬弧熱源增材制造研究了5356鋁合金零件，利用CCD被動(dòng)視覺(jué)傳感對(duì)電弧弧長(zhǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，避免多重堆積下鎢極尖端到堆積層上表面間隔發(fā)生變化。

隨著傳感技術(shù)、圖像處理技術(shù)和機(jī)器視覺(jué)識(shí)別技術(shù)的不斷發(fā)展，視覺(jué)傳感在焊接裝配檢測(cè)、過(guò)程監(jiān)控及接頭質(zhì)量評(píng)價(jià)等方面發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的學(xué)者[50]也對(duì)此做出大量研究，當(dāng)研究材料為鋁合金時(shí)，試驗(yàn)表明，4043鋁合金零件內(nèi)部存在大量垂直于焊縫方向的柱狀晶，同時(shí)還存在枝晶和層間偏析現(xiàn)象，試樣拉伸性能不存在各向異性現(xiàn)象。同時(shí)對(duì)2319鋁合金增材（見(jiàn)圖6）試驗(yàn)建立了焊縫層寬尺寸與工藝之間預(yù)測(cè)模型，該模型預(yù)測(cè)尺寸精度較高，誤差大多在5%以內(nèi)。

圖6 2319鋁合金成形件[51]

綜上所述，影響鋁合金電弧增材制造過(guò)程因素很多，僅通過(guò)建立工藝參數(shù)和成形尺寸的模型精確控制成形尺寸比較困難。為了提高成形工藝的穩(wěn)定性，提高成形尺寸的精度，有必要開(kāi)發(fā)合適的傳感技術(shù)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)堆積寬度和高度，并通過(guò)設(shè)計(jì)智能控制器實(shí)現(xiàn)堆積工藝參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

4 存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)

伴隨著航空航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展，鋁合金結(jié)構(gòu)件的發(fā)展方向也已經(jīng)朝著高精度尺寸和復(fù)雜形狀發(fā)展，這使得對(duì)鋁合金部件的制造技術(shù)有了更高的要求，故在技術(shù)上需要采用更高的制造技術(shù)，以取代目前該技術(shù)上的關(guān)鍵性問(wèn)題，以確保研發(fā)出來(lái)的部件結(jié)構(gòu)性更加可靠。

目前，電弧增材制造技術(shù)存在的問(wèn)題：

1）熱輸入量大，對(duì)耐熱性材料要求過(guò)高。

2）復(fù)雜的熱循環(huán)導(dǎo)致殘余的內(nèi)應(yīng)力過(guò)大，造成增材制造過(guò)程中熔池不穩(wěn)定。

3）電弧不穩(wěn)定，導(dǎo)致成形零件精度偏低，故需進(jìn)行后續(xù)精加工。

因此，鋁合金電弧增材制造技術(shù)需開(kāi)展研究主要有：①對(duì)成形過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。②建立殘余內(nèi)應(yīng)力預(yù)測(cè)模型。③進(jìn)行工藝優(yōu)化，增強(qiáng)工藝技術(shù)。

縱觀國(guó)內(nèi)外，目前對(duì)鋁合金電弧增材制造技術(shù)的研究還處于初步研究階段，仍然需要進(jìn)行大量研究與試驗(yàn)推算，從而來(lái)進(jìn)一步發(fā)展。當(dāng)然，現(xiàn)階段也取得了一定的成果，比如現(xiàn)如今，國(guó)外研究人員利用電弧增材制造技術(shù)成功研制出大型的金屬結(jié)構(gòu)零部件。然而，如何實(shí)現(xiàn)鋁合金電弧增材制造技術(shù)加工時(shí)的有效、準(zhǔn)確地控制，仍然處在待研發(fā)階段，相信不久的未來(lái)，這一難題將會(huì)被突破，電弧增材技術(shù)將更加有效地加工出較精細(xì)的工件。