丝材电弧增材制造技术研究现状及展望

王庭庭，张元彬，谢岳良

（山东建筑大学 材料科学与工程学院，山东 济南 250101）

丝材电弧增材制造技术研究现状及展望

王庭庭，张元彬，谢岳良

（山东建筑大学 材料科学与工程学院，山东 济南 250101）

丝材电弧增材制造技术因其成形速度快、成形件尺寸灵活等优点受到越来越多的关注，尤其是大尺寸、复杂形状构件的高效快速成形，丝材电弧增材制造有着其独特的优势。介绍了丝材电弧增材制造技术的工艺过程，从丝材电弧增材制造成形件的成形工艺及表面质量研究、成形件组织性能研究以及成形件残余应力研究三个方面综述国内外丝材电弧增材制造技术的研究现状，总结该技术现阶段在航空航天领域的应用情况，指出研究人员对丝材电弧增材制造技术的相关研究工作聚焦于工艺优化和过程控制两个方向，怎样才能通过熔滴的平稳过渡获得高质量的成形件，如何有效控制逐层堆积过程中晶粒及显微组织变化，以抑制零件内部不良组织的产生是需要继续研究的问题。

丝材；电弧；增材制造

0 前言

增材制造（Additive Manufacture，AM）指通过对零件三维CAD模型进行分层切片降维处理，按预先生成的路径将材料逐层累加而制造实体零件的过程。它是一种“自下而上”材料累加的制造方法，可一次成形复杂零件或模具而无需工装设备，实现了零件的自由制造。在制造复杂功能零件、复杂结构零件、难加工易变形零件等方面的优势更加突出[1]。

利用激光、电子束或电弧热等能源加热熔化金属粉末或焊丝来实现金属零件直接快速成形制造，是国内外增材制造技术研究人员的目的[2-3]。丝材电弧增材制造技术（Wire and Arc Additive Manufacture，WAAM）技术无需模具，与铸造、锻造工艺相比，生产制造时间短、产品灵活性好[4]。与粉末增材制造相比，WAAM成形件材料利用率更高。粉末床预铺粉选区熔化（烧结）（Powder-bed）、同步送粉（Blownpowder）、电弧丝材增材制造（WAAM）、高能束丝材熔融沉积（Hi.Dep.Wire-fed）四种增材制造方法的比较如图1所示[5-8]。WAAM虽然成形精度稍差，但其材料适用范围广、效率高、成本低，是与激光增材制造方法优势互补的3D增材成形技术[9-10]。

图1 几种工艺方法的比较[5]

1 WAAM工艺方法

WAAM是采用熔化极气体保护焊（GMAW）、钨极氩弧焊（TIG）或等离子弧焊（PAW）热源，利用逐层熔敷原理，通过丝材的添加，采用逐层堆焊的方式成形出金属零件的技术[4]，其工艺过程如图2所示。WAAM构件整体全是焊缝，组织和化学成分均匀，主要用于大尺寸、较复杂形状构件的低成本、高效快速成形[11-12]。但电弧增材制造成形精度差，一般需要二次表面机加工。

图2 WAAM技术工艺过程[5]

2 国内外研究现状

早在20世纪初，西屋电器Baker[13]申请过一项以电弧为热源逐层堆焊制造金属件的专利。20世纪末，WAAM技术结合数字化控制手段在成形大型复杂结构件上的优势突出，国内外研究人员才开始WAAM技术的研发工作。WAAM技术以电弧为载能束，制造过程中熔池体积大，加上材料种类、电弧吹力、电源特性等扰动因素的存在，增强了熔池的不稳定性。能连续一致地逐层堆焊是实现WAAM的先决条件，因此要求每层的组织、成分、性能等的再现性良好。

2.1 国外研究现状

国外有关WAAM成形工艺及表面质量的研究，在工艺优化、过程监控和实时反馈等方面较多。工艺优化方面，目前主要通过试验方法，针对不同的材料体系、不同的焊接方法，选出关键影响因素（焊速、焊丝直径、送丝速度、层间温度、电流、电压等）。Escobar-Palafox[14]采用统计方法探讨钨极气体保护焊AM构件尺寸、弧长、焊速和热输入密度对成形件表面质量、体积收缩、组织等的影响规律。研究表明，一定范围内增大焊丝直径、送丝速度、焊速可获得较好的表面形貌。美国Southern Methodist大学Ouyang等人[15]采用变极性钨极气体保护焊工艺堆焊制造5356铝合金构件，指出影响构件尺寸精度、表面质量的关键是控制弧长、基板预热温度及层间温度。英国Cranfield大学Martina等人[16]建立了一套输入焊接速度、送丝速度、焊接电流，输出变量为多层单道壁厚和层高的等离子弧填丝增材制造系统，得出输入与输出变量之间的关系模型。韩国首尔大学Zhu Hu和Kunwoo Lee等人[17-18]提出了基于沉积和铣削特征来确定加工方向的算法和基于凹边识别的分层算法。英国Cranfield大学Almeida等人[19]成形了表面质量较好的多层单道薄壁构件。J.Mehnen等人[20]指出增材制造技术成形大尺寸构件时，可按有限元模拟获得小变形的温度场和应力场路径进行施焊。2012年Cranfield大学研究人员[21]实现了不同倾斜角度和封闭薄壁件的增材成形。在WAAM工艺稳定性及构件形貌重复再现性方面取得了突破性进展。WAAM过程中，堆焊层数增加，成形件热积累增大、散热条件差，熔池凝固时间变长，熔池形状难于控制。美国Tufts大学Kwak等人[22]通过控制焊速和送丝速度来控制熔敷堆高和有效宽度，利用熔化极气体保护焊枪进行堆焊成形，实现了对构件成形尺寸特征的实时闭环控制。

目前针对WAAM成形件组织性能的研究工作还处于组织分析、性能规律的描述阶段，未找到一般性规律并进行深入的理论及机理分析。例如，WAAM技术制造钛合金构件的显微组织通常是铸锻造技术难形成的长柱形β晶[10]。Paul等人[23]指出外加电磁场对WAAM技术制造TC4构件晶粒形状的影响不大，如图3所示的轧制处理可以细化WAAM成形件组织，降低其残余应力和表面粗糙度。Bermingham等人[24]证实微量硼元素能够有效消除WAAM钛合金α晶界和团束组织，形成各向同性的细小α等轴晶。Baufeld[25]指出不同方向上WAAM TC4成形件抗拉强度值相差不大，但是塑性有明显区别，沿成形方向最高达19%，而垂直于成形方向仅9%。Mohammad Pervez Mughal等人[26]指出增材制造过程中沉积一层后进行铣削加工，将改变成形件的微观组织形态，基本不影响成形件屈服强度。

图3 轧制形式[23]

逐层堆焊过程中，成形件内不同部位的散热条件差异导致的应力分布特征，也是与其性能密切相关的一个急需深入研究的方向。如何构建WAAM成形过程中温度场、应力场的演变模型，以预测成形件残余应力水平和扭曲变形及优化WAAM成形路径，是这一研究角度的关键及难点。Colegrove等人[23]将增材制造与传统的轧制工艺相结合，既减小了焊接产生的残余应力和工件变形，又改善了晶粒组织。

2.2 国内研究现状

目前国内研究的WAAM成形方法包含TIG焊、MIG焊和CMT。西北工业大学研究人员利用GTAW（Gas Tungsten Arc Weld）交直流焊机搭建了WAAM成形系统，着眼于WAAM成形物理过程、熔池系统稳定性、组织演变和性能优化等的研究。天津大学尹玉环等人[27]指出，以TIG电弧为热源的5356铝合金增材制造过程中，控制道次间冷却时间和不同层之间冷却时间能获得良好的增材成形效果。赵孝祥等人[28]研究表明，熔敷层宽度随焊接电流的增加呈线性增加，直线与圆弧过渡、直线与直线过渡和圆弧与圆弧过渡三种路径中直线圆弧过渡熔敷层宽度最小，直线与直线过渡最大。华中科技大学王湘平等人[29]为实现多轴WAAM的大悬臂结构无支撑直接制造，提出了一种厚度和方向均可变的自适应切片算法，并采用8轴Robotic WAAM系统制造了渐缩式螺线管（见图4），验证了算法的有效性。从保强等人[30]的研究结果表明，控制热输入、工作环境和送丝速度三个因素可有效控制铝合金电弧填丝增材制造成形件内部的气孔缺陷，控制送丝速度和焊接速度比可实现对铝合金增材成形高度和宽度的有效控制。还指出铝合金电弧填丝增材制造技术特别适用于航空航天工业领域铝合金大型框架、整体筋板加强筋和加强肋等构件低成本、高效快速制造。周祥曼等人[31]建立了纯氩保护电弧增材制造的电弧磁流体动力学三维数值模型，通过模拟计算获得了增材制造特有的单道和多道搭接熔积条件下不同表面形貌对应的电弧形态以及相应的温度场、流场、电流密度、电磁力、电弧压力分布。柏久阳等人[32]发现，单层多道结构的上表面形貌由单条焊道形貌、焊道间距和焊道数目共同决定，建立了焊道间距计算模型。胡瑢华[33]指出分层处理和路径规划是基于TIG堆焊技术熔焊成型技术的关键和基础。道间距d=0.67W（焊缝熔宽）时，熔焊件表面平整度较好，对非薄壁件选择沿长边先轮廓后填充的轨迹，薄件则选择沿轮廓或沿外轮廓向里偏置的堆积轨迹成形更好。张广军等人[34]的研究结果表明，送丝速度与焊接速度之比（送焊比）对熔滴的形状影响较大。当送焊比大于12.5时，选用圆弧模型的精确度较高；当送焊比小于12.5时，抛物线模型的精确度较高。曹勇等人[35]用机器人GMAW及数控铣削复合快速控制系统实现了某履带车辆凸轮零件的制造，从而证明了该系统的可行性和高效性。熊俊[36]研究了以Q235B钢板为基体用φ1.2mm的H08Mn2Si焊丝进行GMAW多层单道成形，发现采用小电流的小规范工艺参数进行焊接时熔敷层表面质量较高。

图4 8-轴Robotic WAAM成形渐缩式螺旋管

在金属零件的组织研究过程中，需要研究金属件的宏观组织与微观组织。因电弧的热输入较高，已成形构件受到热源的往复加热，成形过程中的热积累较高[37]。关于WAAM成形组织演变特征的研究尚无相关报道，多是描述与分析。王桂兰等人[9]研制出电弧微铸轧复合增材制造系统，无模直接成形出熔铸成形性和可焊性极低的45钢大壁厚差高强度零件，组织更细小、力学性能更好，解决了难成形加工材料高强韧金属零件的低成本快速成形难题。在电弧增材制造成形件力学性能方面，Wang等人[38]的研究结果表明，WAAM制造TC4成形件比锻造件疲劳寿命长，延伸率相当。Ding和Wang等人[39]模拟了电弧增材制造技术过程中的应力及变形。综上所述，WAAM技术的研究力度还不够，不能控制成形件的显微组织、残余应力和变形等，需要加大研究力度。

3 应用情况

近年来，国外WAAM研究人员已经成形出大型金属结构件。在航空航天领域，WAAM技术应用有原位制造和复合制造[40]。原位制造指采用电弧增材制造技术制造出所需零件或修补存在缺陷的零件，复合制造则是增减材制造技术相互补充共同生产制造金属构件的方法。英国Cranfield大学研究人员采用MIG电弧增材制造技术快速成形制造出了缺陷少的钛合金大型框架构件。欧洲Airbus、Bombardier、BAE system、Lockheed Martin-UK、MBDA和法国航天企业Astrium等均利用WAAM技术实现了大尺寸钛合金及高强钢结构件的直接快速成形，Bombardier制造了长2.5 m的飞机肋板[41]。目前技术只能制造几何形状及结构较为简单的零件，成形精度低，尚未在航空航天领域得到广泛应用。

4 展望

虽然WAAM技术存在成形精度低、成形稳定性差、设备自动化水平不高等问题，但是随着人们的高度关注和WAAM技术快速研制成形大尺寸、小批量构件的突出优势，WAAM技术有十分广阔的应用前景。目前对WAAM构件质量的研究工作主要在工艺优化和过程控制两个方面，还未解决构件“内部质量”（晶粒及显微组织等）的控制问题，不能用WAAM技术实现航空航天关键及主承力构件的直接快速成形。但随着研究的进一步深入，电弧增材制造技术因其成形速度快和成形尺寸不受限制的突出优点，将会得到广泛应用。因此，如何控制零件内部晶粒及显微组织变化，在现有设备基础上通过熔滴的平稳过渡来获得高质量成形件是亟待解决的问题。

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Status and development prospects of the wire arc additive manufacture technology

WANG Tingting，ZHANG Yuanbin，XIE Yueliang
（School of Materials Science and Engineering，Shandong Jianzhu University，Ji'nan 250101，China）

Wirearcadditivemanufacturing（WAAM）technologyhas

increasingattentionbecauseofitshighformingspeed，flexible forming size，in particular，the large-size complex shape of the efficient shape of the rapid molding，wire and arc material has its unique advantages.This paper introduced the technology of WAAM，reviewed the current research situation both at home and abroad from forming processandsurfacequalityoftheformingmaterial，themicrostructureandpropertiesoftheformingpartandtheresidualstress of the forming part three aspects，and then summarized its application in the aerospace field，pointed out that present research work of WAAM mainly focused on the process optimization and process control.How to get the high quality parts by means of smoothly transfer of droplet，how to prevent the abnormal microstructure by means of controlling the grain size and microstructure transformation during the accumulating process stepbysteparetheproblemstobesolved.Themicrostructureofthenuggetzoneislathmartensiteandbainite，andthemicrostructure oftheheataffectedzoneisfinemartensite.

wire；arc；additive manufacturing

TG422.3

C

1001－2303（2017）08－0060-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.08.11

2017-05-02

王庭庭（1990—），女，在读硕士，主要从事焊接技术与工艺的研究。E-mail：1219909075@qq.com。

张元彬，教授。E-mail：zhang_yuanbin@163.com。

本文参考文献引用格式：王庭庭，张元彬，谢岳良.丝材电弧增材制造技术研究现状及展望[J].电焊机，2017，47（08）：60-64.