滕樹滿

(廣西柳州鋼鐵集團(tuán)有限公司，廣西 柳州 545002)

由于生產(chǎn)周期短、自由度高、容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化制造等獨(dú)特優(yōu)勢，增材制造(additive manufacturing，AM)技術(shù)上世紀(jì)80年代產(chǎn)生以來便成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，并于一些領(lǐng)域開始替代鑄造、模鍛等傳統(tǒng)熱加工[1，2]。增材制造技術(shù)又稱3D打印技術(shù)(3D-printing)，該技術(shù)以電弧、激光和電子束等高能束為熱源將絲材或粉材熔化，將熔融材料依制特定路徑逐層沉積、凝固成形零件[3，4]。根據(jù)熱源，一般將增材制造工藝分為以下三類[5，6]：激光增材制造(Laser- additive- manufacturing -process，LAM)、電弧熔絲增材制造(wire -arc -additive manufacturing -technology，WAAM)[7]、電子束增材制造(electron- beam- additive- manufacturing)。相較于電弧熔絲增材制造工藝，激光增材制造與電子束增材制造技術(shù)雖成形精度高[8，9]，但沉積效率低[10]、加工環(huán)境嚴(yán)格[11，12]、成本高昂，制造小尺寸、高精度的零部件更能凸顯工藝優(yōu)勢[13-16]。大尺寸金屬零部件的快速增材制造將更多依靠電弧熔絲增材制造工藝。

電弧熔絲增材制造技術(shù)(Wire and Arc Additive Manufacturing，WAAM)通過電弧熔化絲材，并根據(jù)產(chǎn)品三維模型將熔融金屬按線-面-體逐層堆積、凝固成形出金屬部件的工藝[17，18]，其原理圖如圖1所示。

圖1 電弧熔絲增材制造技術(shù)原理圖[28]Fig.1 Schematic diagram of arc fuse additive manufacturing technology

根據(jù)產(chǎn)生電弧的熱源方式，可將電弧增材制造分為：熔化極惰性氣體保護(hù)焊(Melt inert gas welding，MIG)同軸送絲增材制造技術(shù)、鎢極惰性氣體保護(hù)焊(Tungsten inert gas，TIG)旁軸送絲增材制造技術(shù)及等離子電弧焊(Plasma arc welding，PAW)旁軸送絲增材制造技術(shù)三類[19，20]。3種電弧增材制造工藝通常匹配機(jī)械手或數(shù)控機(jī)床完成沉積運(yùn)動軌跡規(guī)劃[21]，實(shí)現(xiàn)對將全焊縫金屬構(gòu)件的快速生產(chǎn)，產(chǎn)品成分均勻、組織致密，力學(xué)性能優(yōu)于鑄件，經(jīng)過適當(dāng)后處理與鍛件相當(dāng)[22，23]；且相較于整體塑性加工件，電弧增材制件具有更高的強(qiáng)度與韌性。在多層堆積過程中，金屬經(jīng)歷多次加熱-冷凝-加熱的熱循環(huán)，得到多次回火處理，可一定程度上消除大型鑄鍛件組織偏析、力學(xué)性能存在方向性差異等缺陷。基于上述優(yōu)勢，自20世紀(jì)90年代以來，電弧熔絲增材制造工藝被逐漸應(yīng)用于航空航天、能源動力、國防軍工等關(guān)鍵領(lǐng)域產(chǎn)品及配套生產(chǎn)設(shè)備的加工與制造[24，25]。然而在電弧增材工藝的推廣應(yīng)用中也暴露了一些問題，如難以對制造過程進(jìn)行實(shí)時調(diào)整；制造設(shè)備精度較低，制件表面粗超度較大；制造過程熱輸入大，產(chǎn)品加工應(yīng)力較大，易產(chǎn)生裂紋等[26，27]。這些問題嚴(yán)重阻礙了電弧熔絲增材制造技術(shù)的發(fā)展與大規(guī)模應(yīng)用，需投入更大的研發(fā)力度實(shí)現(xiàn)技術(shù)的突破。

1 電弧熔絲增材制造的發(fā)展歷程

電弧熔絲增材制造工藝的研究始于上世紀(jì)20年代。1925年美國的Bake申請了世界上第一個電弧熔絲增材制造工藝專利[29]。Bake以電弧為熱源，在外加氣體保護(hù)下堆積熔融金屬，制造出了第一個電弧熔絲增材制造的花托和裝飾性收納籃(圖2)[30，31]。20世紀(jì)70年代初期，德國Krupp公司等開始研制利用埋弧焊工藝制造大尺寸的全焊縫金屬構(gòu)成的大型規(guī)則零件，標(biāo)志著電弧熔絲增材制造工藝開始進(jìn)入快速發(fā)展時期[32]。但由于制造設(shè)備精度的限制，該階段的電弧熔絲增材制造工藝只能制造形狀簡單、精度要求不高的大型金屬零件。進(jìn)入20世紀(jì)八九十年代后期，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的快速發(fā)展，使該工藝的發(fā)展進(jìn)入全新時期。Ribeiro等將CAD 設(shè)計(jì)軟件與電弧熔絲增材設(shè)備相結(jié)合，設(shè)計(jì)出世界上首套電弧熔絲增材智能快速成型系統(tǒng)，并基于該系統(tǒng)生產(chǎn)出一個形狀完好、表面較為光滑的金屬花瓶。該零件的成功生產(chǎn)也標(biāo)志著電弧熔絲增材制造工藝發(fā)展進(jìn)入自動化、智能化時代[33，34]。

圖2 電弧熔絲增材制造金屬花托和裝飾性收納籃[29]Fig.2 Metal receptacles and decorative storage baskets with arc fuse additive manufacturing

進(jìn)入新世紀(jì)，隨著電弧熔絲增材制造工藝與制造設(shè)備的不斷改進(jìn)優(yōu)化，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各復(fù)雜零件及模具的制造與修復(fù)再制造。大型零件制造方面，歐洲宇航局與英國 Cranfield大學(xué)焊接與激光研究中心合作，實(shí)現(xiàn)了鈦合金飛機(jī)機(jī)翼翼梁和航空發(fā)動機(jī)輪盤等航空大型框架構(gòu)件熔化極惰性氣體保護(hù)電弧熔絲增材制造(圖3)[34，35]。制造過程中金屬沉積速率高，焊絲利用率可達(dá)90%且成形時間短、缺陷少，完成尺寸為1.2m的鈦合金機(jī)翼生產(chǎn)全程只需 37h[36，37]。美國Lockheed Martin公司以ER4043焊絲為原材料，應(yīng)用電弧熔絲增材制造生產(chǎn)出了高度約為380mm的大型錐筒構(gòu)件[38]。Bombardier公司采用電弧熔絲增材制造技術(shù)于金屬基板上直接成型了尺寸為2.5m×1.2m的大型飛機(jī)肋板[39，40]。國內(nèi)，華中科技大學(xué)[41]、西安交通大學(xué)[42，43]與武漢天昱智能制造有限公司合作成功研發(fā)集電弧、等離子弧于一體的大型增材制造設(shè)備，實(shí)現(xiàn)5m×2m×1.5m范圍內(nèi)各型尺寸材料零件的增材制造。

圖3 電弧熔絲增材Ti-6Al-4V航空發(fā)動機(jī)輪盤Fig.3 Ti-6Al-4V aeroengine disk by arc fuse additive

對零件與模具的電弧熔絲增材修復(fù)，源于傳統(tǒng)的堆焊工藝。河北工業(yè)大學(xué)的GONG等應(yīng)用小電流脈沖微束等離子弧(PMPAW) 增材制造工藝實(shí)現(xiàn)了航空超薄壓氣機(jī)葉片的裂紋修復(fù)[44]。YOU等應(yīng)用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)電弧增材實(shí)現(xiàn)了對重載鐵路機(jī)車車輪的修復(fù)，并通過增材工藝獲得了貝氏體組織，提高了車輪的耐磨性能。為了解決傳統(tǒng)熱鍛模具在高強(qiáng)合金鍛造成形時壽命偏低的缺陷，重慶大學(xué)Zhou Jie、Xia Yufeng等研發(fā)了熱鍛模具“拳頭式”電弧熔絲增材制造工藝(結(jié)構(gòu)如圖4所示 )，即首先于鑄鋼基體上電弧熔絲增材一層硬度較大的合金(如鐵基合金)作為“拳頭式”鍛模的“骨頭”層起高溫支撐作用，再在其表面堆焊一層室溫下相對較軟、中溫下相對較硬的材料(如鎳基、鈷基高溫合金)作為“拳頭式”鍛模的“皮膚”層，“皮膚”層具有良好的高溫耐磨損、抗變形作用[45，46]。目前該結(jié)構(gòu)模具已經(jīng)于800MN壓力機(jī)(世界最大噸位壓力機(jī))上成功應(yīng)用。相較于傳統(tǒng)H13單一材料模具，“拳頭式”鍛模的壽命顯著提高。

A-“夾心層”；B-“皮膚層”；C-“模具輪廓線”；D-“骨頭層”圖4 電弧增材“拳頭式”熱鍛模具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic of “fist-like” hot forging die by arc fuse additive

為了滿足生產(chǎn)需求，電弧熔絲增材制造的配套設(shè)備也在不斷升級優(yōu)化。早期的電弧熔絲增材設(shè)備由手工電弧堆焊發(fā)展而來，現(xiàn)階段該設(shè)備對于模具修復(fù)、精整等靈活度高、加工量少的生產(chǎn)仍有較大應(yīng)用。但傳統(tǒng)手工熔絲增材設(shè)備生產(chǎn)效率及加工精度較低，無法滿足大型構(gòu)件的精確化、高效化生產(chǎn)。為適應(yīng)生產(chǎn)要求，電弧熔絲增材制造設(shè)備不斷升級優(yōu)化。一方面，研究人員將傳統(tǒng)電弧設(shè)備與塑性加工、數(shù)控銑削及熱處理設(shè)備相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了電弧熔絲增材制造產(chǎn)品的精準(zhǔn)控形、控性。Karunakaran與Song等開發(fā)了電弧增材-數(shù)控銑削復(fù)合系統(tǒng)，當(dāng)每一層金屬沉積后即用銑刀對上層金屬銑削，既實(shí)現(xiàn)了對成型件表面形貌的控制，又釋放了加工殘余應(yīng)力(圖5(a))[47，48]。澳大利亞的Wu等將氣體噴嘴加入增材設(shè)備構(gòu)成(圖5(b))的裝置設(shè)備，該裝置可對沉積中的金屬噴射氬氣、氮?dú)饣蚨趸細(xì)怏w，控制金屬層間熱循環(huán)溫度，細(xì)化微觀晶粒尺寸、提升制件的表面硬度及光潔度并提高制造效率[49]。Mcandrew 與Valdemar 等分別將熱軋與鍛造設(shè)備集成于電弧熔絲增材制造設(shè)備(圖5(c))上，使電弧增材制件微觀組織均勻化，細(xì)化晶粒尺寸，提升了構(gòu)件的力學(xué)性能[50，51]。另一方面，電弧熔絲增材制造設(shè)備不斷引入人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對增材過程的實(shí)時監(jiān)測、反饋和調(diào)整。Ouyang等將CCD 視覺傳感引入增材制造過程，實(shí)現(xiàn)了對MIG電弧熔絲增材過程電弧長度的控制[52]。Kwak 等使用結(jié)構(gòu)光傳感器與紅外攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)了對增材制造過程沉積層形貌與溫度的監(jiān)測[53]。重慶大學(xué)Quan等則實(shí)現(xiàn)了電弧熔絲增材、3D測量重構(gòu)、熱錘擊及吸塵、缺陷檢測、伺服控制的集成。所研制的增材系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)制造過程的實(shí)時監(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縫耦合，實(shí)現(xiàn)了集成化快速增材制造(圖6)。電弧熔絲增材制造設(shè)備不斷向集成化、智能化、精準(zhǔn)化、多功能化發(fā)展。

(a)電弧增材-銑削復(fù)合系統(tǒng)[48]；(b)電弧增材層間冷卻系統(tǒng)[54]；(c)電弧增材-塑性成形復(fù)合系統(tǒng)[55]圖5 電弧熔絲增材制造配套設(shè)備Fig.5 Accessory equipment of arc fuse additive manufacturing

圖6 電弧熔絲增材制造集成系統(tǒng)Fig.6 Integrated system of wire -arc -additive manufacturing

2 電弧熔絲增材常用材料研究進(jìn)展

絲材的性能對電弧熔絲增材制造零件的質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響。表1顯示了各種常用合金在電弧熔絲增材制造中的應(yīng)用。電弧增材制造無缺陷、性能可靠的零件需要對所用原料、工藝過程控制方法和對各種常見缺陷的產(chǎn)生原因及處理措施進(jìn)行充分了解。本節(jié)對電弧熔絲增材制造常用材料的微觀組織和制造后的性能研究進(jìn)展進(jìn)行了全面概述。

表1 常用合金在電弧熔絲增材制造中的應(yīng)用Tab.1 Application of common alloy in arc fuse additive manufacturing

2.1 鈦合金

由于比強(qiáng)度高及高溫性能穩(wěn)定等優(yōu)勢，鈦合金被認(rèn)為是最具前景的航空航天大型結(jié)構(gòu)材料。因此，電弧增材后鈦合金組織與性能特性與優(yōu)化成為最熱門的研究方向之一。增材過程溫度場分布對鈦合金的組織演變造成顯著影響，層間溫度循環(huán)亦可能產(chǎn)生不同的熱處理作用導(dǎo)致合金區(qū)域組織偏差，學(xué)界基于試驗(yàn)與計(jì)算機(jī)模擬對于鈦合金增材組織的演變機(jī)理做了廣泛的研究。如Bauleld團(tuán)隊(duì)研究了鈦合金在TIG熱源電弧熔絲增材制造后顯微組織特征及演化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)使用制造后的Ti-6Al-4V合金組織為粗大的外延生長β柱狀晶。β柱狀晶的指向隨焊接方向的改變而改變(圖 7(a))，焊接熔池內(nèi)的最大溫度梯度則決定β柱狀晶生長方向[70，71]。沉積順序則影響Ti-6Al-4V合金帶狀組織生成。沉積底層鈦合金過冷度較低，且經(jīng)歷了多次的加熱-冷卻熱處理循環(huán)，最終組織為相對粗大的網(wǎng)狀α結(jié)構(gòu)，宏觀上體現(xiàn)為平行的周期性等軸晶組織((圖7(b)(d))，上層鈦合金冷卻速度較快，最終組織為細(xì)小的α集束，無帶狀組織生成(圖7(b)(c))。Bauleld將增材制造后鈦合金組織不均勻性解釋為：Ti-6Al-4V合金電弧熔絲增材制造過程中試樣中間層某一區(qū)域的熱循環(huán)溫度屬于β轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間或α+β轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間，導(dǎo)致微觀組織發(fā)生相變，并最終轉(zhuǎn)變?yōu)閹罱M織。當(dāng)沉積最后一層鈦合金金屬時試樣上半部區(qū)域溫度都處于β轉(zhuǎn)變溫度以上，因而產(chǎn)生如圖7(b)所示的頂部區(qū)域組織。電弧熔絲增材制造過程中焊接電弧熱輸入越大，冷卻后鈦合金試樣中帶狀組織面積越小[70，72]。

(a)試樣外表面形貌；(b)試樣截面腐蝕圖；(c)試樣上層區(qū)域SEM圖；(d)試樣底端區(qū)域SEM圖[70，71]圖7 電弧熔絲增材制造Ti-6Al-4V合金Fig.7 Ti-6Al-4V alloy manufactured by arc fuse additive

鈦合金增材試樣微觀組織的區(qū)域偏差對力學(xué)性能造成影響。表2對鑄態(tài)、鍛態(tài)及各種熱源電弧增材制造的Ti-6Al-4V合金試樣的顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行了總結(jié)與對照。通過對比可知，電弧熔絲增材制造的鈦合金試樣力學(xué)性能與鍛造試樣接近，均優(yōu)于鑄態(tài)試樣。研究還發(fā)現(xiàn)，相較于沉積方向，鈦合金制件在室溫時沿焊接方向的抗拉強(qiáng)度更高，而延伸率更低。該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是，試樣拉伸過程中晶界α在載荷穿過β晶粒晶界時提前失效。Bauleld則將鈦合金力學(xué)性能各項(xiàng)異性的產(chǎn)生歸因于外延的柱狀晶。相較于沉積方向，焊接方向的的平均晶粒尺寸更小，晶界數(shù)目更多，而晶界是拉伸時的失效根源。

表2 電弧熔絲增材制造Ti-6Al-4V合金性能Tab.2 Ti-6Al-4V alloy manufactured by arc fuse additive

2.2 鎳基高溫合金

除鈦合金外，鎳基高溫合金是應(yīng)用量第二的合金。該合金的高溫抗氧化性優(yōu)良，被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油、化工、海洋等行業(yè)的零件制造[77]。但使用傳統(tǒng)方法加工制造成本高，因此急需研發(fā)該種合金的電弧熔絲增材制造工藝。到目前為止，研究者已對包括Inconel 718和Inconel 625合金在內(nèi)的常用鎳基高溫合金的電弧增材后的特性進(jìn)行了研究。Bauleld等研究發(fā)現(xiàn)電弧熔絲增材后Inconel 718試樣的顯微組織主要為枝晶結(jié)構(gòu)的粗大柱狀晶，同時在晶界處分布著細(xì)小Laves相析出物與MC型碳化物[78]。Xu使用鎳基高溫合金Inconel 625進(jìn)行電弧增材，所加工試樣中除柱狀枝晶結(jié)構(gòu)外還存在大量的Laves相析出物、MC型碳化物和Ni3Nb析出物，如圖8所示[79]。TAvira等進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，對電弧增材后Inconel 718試樣進(jìn)行固溶+時效處理可降低Laves相尺寸，提升試樣的力學(xué)性能[80]。

圖8 電弧增材Inconel 625合金相組成[79]Fig.8 Phase composition of arc additive Inconel 625 alloy

將各學(xué)者所測得的電弧增材Inconel 625試樣力學(xué)性能參數(shù)匯總于表3，并與合金鍛態(tài)、鑄態(tài)試樣進(jìn)行對照。對比可得，兩種合金增材試樣的屈服與抗拉強(qiáng)度介于鑄態(tài)與鍛態(tài)間，但增材試樣的延伸率不如鑄態(tài)及鍛態(tài)試樣。

表3 電弧熔絲增材制造Inconel 625性能Tab.3 Performance of Inconel 625 manufactured by arc fuse additive

2.3鋁合金

由于密度低、耐腐蝕性優(yōu)良，被認(rèn)為是理想的航空輕質(zhì)材料。目前，2xxx系(Al-Cu系)、4xxx系(Al-Si系)與5xxx(Al-Mg系)鋁合金均已成功應(yīng)用于航空大型零件的生產(chǎn)[83，84]。但由于鋁合金熱膨脹系數(shù)高、凝固收縮率高等焊接特性，且合金表面易產(chǎn)生高熔點(diǎn)致密氧化膜(氧化鋁)，使熔融金屬被阻隔于熔池內(nèi)無法繼續(xù)沉積，鋁合金在電弧熔絲增材制造過程中極易產(chǎn)生孔隙與空洞等缺陷，影響試樣的力學(xué)性能[85，86]。表4將電弧熔絲增材后的Al-Cu系、Al-Mg系合金試樣與鑄態(tài)、鍛態(tài)相對照，研究表明，電弧熔絲增材制造后的鋁合金試樣力學(xué)性能相較于鑄態(tài)、鍛態(tài)更差。

表4 電弧熔絲增材制造鋁合金性能Tab.4 Performance of arc fuse additive manufacturing aluminum alloy

提高鋁合金增材制件的力學(xué)性能，常對制件進(jìn)行焊后熱處理。為了從根本上消除氧化膜的影響，冷金屬過度焊(Cold Metal Transfer，CMT)工藝被逐步應(yīng)用于鋁合金的電弧制造生產(chǎn)中[88]。Fronius應(yīng)用CMT pulse advanced(CMT-PADV)方式進(jìn)行了增材制造，生產(chǎn)后的試樣無孔隙產(chǎn)生，如圖9所示[89]。

(a)傳統(tǒng)CMT工藝；(b)CMT-PADV工藝圖9 使用不同工藝制造的鋁合金試樣孔隙[89]Fig.9 Aluminum alloy sample pores manufactured by different processes

2.4 鎂合金及其它金屬

鎂合金是密度最低的工程金屬材料，被譽(yù)為“21世紀(jì)的綠色工程材料”。近年來，隨著汽車輕量化研究的逐步推進(jìn)，鎂合金汽車零部件的應(yīng)用比例日益增大。其中，AZ31和AZ61是兩種使用量最大的鎂合金。但金屬鎂為密排六方堆積(hcp)結(jié)構(gòu)，滑移系少、延展性差，采用常規(guī)鍛造或擠壓生產(chǎn)易產(chǎn)生缺陷。因此，目前大多鎂合金零件只能采用鑄造工藝生產(chǎn)。采用電弧熔絲增材制造工藝有望突破這一瓶頸[90]。目前，材料界對于AZ31鎂合金電弧增材的性能與優(yōu)化進(jìn)行了一定研究，但AZ61鎂合金的相關(guān)研究則相對較少。Guo等使用GTAW電弧增材成功制造AZ31零件，并研究了不同脈沖頻率(1Hz、5Hz、10Hz、100Hz和500Hz)對試樣顯微組織的影響。

如圖10所示,采用5Hz、10Hz電弧增材生產(chǎn)的試樣晶粒尺寸更小更細(xì)(約為21μm)。經(jīng)測量，脈沖頻率為5Hz生產(chǎn)的試樣抗拉強(qiáng)度為258MPa、延伸率為25.6%；而頻率為10Hz時增材試樣的抗拉強(qiáng)度為263MPa、延伸率為23%，試樣的力學(xué)性能指標(biāo)均優(yōu)于美國材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(American Society of Testing Materials，ASTM )同類鎂合金力學(xué)性能推薦值(234MPa)[91]。

(a) 500Hz；(b) 100Hz；(c) 10Hz；(d) 5Hz；(e) 2Hz；(f) 1Hz[91]圖10 脈沖頻率對AZ31合金微觀組織的影響Fig.10 Effect of pulse frequency on microstructure of AZ31 alloy

除上述合金外，F(xiàn)e/Al合金[92]、Al/Ti合金[93，94]及鋼/鎳[95]、鋼/青銅等航空工業(yè)常用合金的電弧熔絲增材制造工藝研究也在逐步推進(jìn)。但目前大部分研究都集中于合金微觀結(jié)構(gòu)的表征及試樣力學(xué)性能的測定上，距離增材全過程工藝、設(shè)備的成功研發(fā)還需經(jīng)歷較長的過程。

3 電弧熔絲增材缺陷研究進(jìn)展

經(jīng)過多年的發(fā)展，電弧熔絲增材制造試樣的性能已顯著提升，但在增材過程中由于各種原因，如焊接參數(shù)設(shè)置不當(dāng)、焊機(jī)精度較低導(dǎo)致焊絲輸送不穩(wěn)定、焊接熱積累及制造環(huán)境等，試樣仍易產(chǎn)生一些缺陷，如微觀孔隙、微裂紋及變形等。由于電弧增材生產(chǎn)試樣工況相對惡劣，這些缺陷的產(chǎn)生使試樣高溫力學(xué)性能降低，留下安全隱患。本節(jié)對各材料電弧熔絲增材制造過程出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行了概括(表5)，對各種缺陷產(chǎn)生機(jī)理與消除工藝進(jìn)行了全面的分析。

表5 電弧熔絲增材制造合金缺陷[27]Tab. 5 Defects of alloy manufactured by arc fuse additive

3.1 殘余應(yīng)力與變形

與其余焊接方式相似，目前電弧熔絲增材制造過程仍無法消除殘余壓力與焊后變形。焊接殘余應(yīng)力的存在使零件產(chǎn)生微觀變形，包括縱向與橫向收縮、彎曲變形、角變形與扭轉(zhuǎn)變形等[96，97]。殘余應(yīng)力與變形的存在將降低零件制造精度與疲勞壽命。因此，探求增材制造過程中焊后殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，制訂合適有效的控制與減小后殘余應(yīng)力與變形工藝仍是目前研究的關(guān)鍵。

學(xué)者已經(jīng)通過試驗(yàn)對電弧增材制造后殘余應(yīng)力的分布及影響規(guī)律進(jìn)行了一定研究。Colegrove等研究發(fā)現(xiàn)電弧增材后的殘余應(yīng)力分布于試樣各個部位，且首層金屬沉積時的殘余應(yīng)力對后續(xù)應(yīng)力分布無顯著影響[98]。當(dāng)松開試樣夾持裝置后殘余應(yīng)力將重新分布；且相較于頂層金屬，靠近基板處的底部金屬層殘余應(yīng)力值更大，更易發(fā)生彎曲變形。Liu等將厚度均為50mm的扁平試樣與彎曲試樣的殘余應(yīng)力數(shù)值對照后，發(fā)現(xiàn)試樣形狀對電弧增材后的試件環(huán)狀應(yīng)力分布影響較大，但對軸向應(yīng)力分布無明顯影響(圖11)[99]。Wang等研究發(fā)現(xiàn)金屬沉積路徑對電弧熔絲增材制造后殘余應(yīng)力分布產(chǎn)生較大影響，對于大型構(gòu)件的制造，設(shè)計(jì)合適的金屬沉積路徑，可有效降低殘余應(yīng)力值從而減少電弧增材制造試樣缺陷的產(chǎn)生[100]。

(a)環(huán)向應(yīng)力；(b)軸向應(yīng)力圖11 電弧增材試樣整體應(yīng)力分布[99]Fig.11 Global stress distribution of arc additive sample

由于殘余應(yīng)力的數(shù)值大小與制造過程的參數(shù)設(shè)置(如焊接電流電壓、進(jìn)給速度等參數(shù)、保護(hù)氣體流量)有較大關(guān)系，在實(shí)際生產(chǎn)中主要通過不斷優(yōu)化工藝參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)對殘余應(yīng)力的控制[101，102]。此外，研究已證實(shí)采用若干輔助外加處理工藝可有效降低增材殘余應(yīng)力及變形。

3.2 氣孔

氣孔是電弧熔絲增材制造中的另一個常見缺陷，該缺陷會降低增材試樣的強(qiáng)度極限與服役壽命[103，104]。雜質(zhì)及不良的沉積路徑規(guī)劃均可導(dǎo)致電弧增材過程中氣孔的產(chǎn)生。電弧熔絲增材制造所用絲材，表面可能會伴隨一定的雜質(zhì)(如水分及油污等)。在增材過程中，雜質(zhì)物質(zhì)溶于金屬熔液后無法排出最終凝固形成氣孔。相較于其余熔絲原料，鋁合金的吸氫能力最強(qiáng)(660℃時可達(dá)0.69cm3/100g)[105]。在鋁合金電弧熔絲增材制造過程中吸收的氫無法正常排出，凝固后形成氣孔。為減少該缺陷的產(chǎn)生，需在增材前對焊絲及工作基臺進(jìn)行清潔處理。而不良的增材路徑亦可產(chǎn)生氣孔。若金屬沉積路徑過于復(fù)雜則可能導(dǎo)致層間熔合不良或產(chǎn)生飛濺，這些均可能導(dǎo)致氣孔的產(chǎn)生[106]。目前生產(chǎn)中主要采用下列方式減少電弧增材制造試樣孔隙率：(1)采用基于交流GMAW焊接熱源或CMT-PADV焊接熱源進(jìn)行電弧熔絲增材制造；(2)使用質(zhì)量可靠的焊材并對增材原料進(jìn)行清潔，對加工現(xiàn)場進(jìn)行保護(hù)，在制造前應(yīng)對金屬絲材及焊接基板表面進(jìn)行清潔以盡量消除水份油污等雜質(zhì)，且在金屬堆積過程中使用合適的保護(hù)氣體；(3)對金屬熔敷焊道形狀進(jìn)行優(yōu)化；(4)可對沉積后的試樣進(jìn)行塑性加工處理。

3.3 焊后裂紋

由于工藝參數(shù)設(shè)置不當(dāng)?shù)纫蛩?，電弧增材制造試樣常有裂紋產(chǎn)生[107，108]。一般將電弧增材出現(xiàn)的裂紋分為凝固裂紋或晶間裂紋兩類[109]。前者受金屬的凝固屬性影響較大，材料沉積凝固時金屬流動受阻或焊接熔池中金屬凝固時所受張力過大均可能導(dǎo)致凝固裂紋的產(chǎn)生。晶間裂紋的產(chǎn)生是由于晶界附近存在某些微量的低熔點(diǎn)物，并且凝固時晶粒之間存在著較大的應(yīng)力[110]。當(dāng)在晶界上存在著某些低熔點(diǎn)物(或脆性物)時，晶粒之間的強(qiáng)度將大大減弱并最終導(dǎo)致裂紋的生成。為減少電弧增材過程中裂紋的產(chǎn)生，常進(jìn)行如下處理：(1)對增材用絲材的成分進(jìn)行優(yōu)化以增加金屬流動性；(2)降低沉積過程金屬冷卻速率；(3)制造前對基臺與絲材預(yù)熱實(shí)現(xiàn)均質(zhì)化處理。

4 電弧增材輔助處理工藝研究進(jìn)展

實(shí)現(xiàn)電弧熔絲增材制造后試樣性能的提升，可對焊接工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化(如增加送絲速度、提高焊接電源脈沖頻率等)，也可通過引入外部輔助處理工藝。本節(jié)對常用的電弧熔絲增材制造輔助處理工藝進(jìn)行綜述，對各工藝的特點(diǎn)和局限性進(jìn)行分析，以期為各輔助工藝的深入研究與優(yōu)化提供指導(dǎo)。(未完待續(xù))