电弧增材制造综述：技术流派与展望

马 驰，刘永红，纪仁杰，李常龙

（ 中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛 266580 ）

近年来， 相较于传统的减材制造， 增材制造（additive manufacturing，AM）由于其在结构轻巧性、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优势吸引着航空航天与生物等工业的注意[1-4]。 常见的金属增材制造按照能量来源及不同原材料可分为： 电子束选区熔化（electron beam selective melting，EBSM）、 激 光 选 区 熔 化（selective laser melting，SLM）、 激光近净成形（laser engineered net shaping，LENS）及电弧增材制造（wire and arc additive manufacturing，WAAM）等。 其中，电弧增材制造由于采用电弧作为热源、填充丝作为原材料，加上该技术本身就具有高堆积速率、高材料利用率、 低费用及适用于制造大型构件的优势，正成为一种具有发展潜力的增材制造方法[5-6]。

早在1920 年，Baker[7]就申请了使用可熔化电极采用金属叠加堆积金属饰品的专利。 此后，Ujiie[8]阐述了如何通过逐步堆积焊接金属获得圆形横截面压力容器的技术。 随着计算机技术的发展及其在制造领域中的广泛应用，数字化焊接技术及数控设备彻底颠覆与重新定义了电弧增材制造技术。 近十年内，电弧增材制造技术由于具有独特的优势获得广大研究者关注且发展迅速。 当前电弧增材制造技术适用于碳钢、铝合金、钛合金、镍基合金及记忆合金的制造。 与常规的减材制造技术相比，电弧增材制造系统可减少40%～60%的制造时间及15%～20%的后处理时间[9]。

本文主要回顾了使用电弧增材制造技术制造零件时有关外形控制及金属性能提高两个方面的研究。 在相关研究的技术流派分类方面，本文将关于电弧增材制造的研究分为外形控制及材料质量控制两大流派，而根据实际采用的技术异同又可将这两大流派细分为前处理、过程控制、后处理等多个小类。 下文将就此进行详细阐述。

1 典型电弧增材制造系统的构成

通常， 电弧增材制造使用熔化极气体保护焊（GMAW）、钨极气体保护焊（GTAW）或等离子弧焊（PAW）过程所产生电弧作为能量源，使用各种堆积丝作为原材料，使用六轴机械手或CNC 机床作为运动平台（图1）。 零件通过堆积丝的熔化及熔池的堆积冷却来制备[10]。

常用的典型气体保护装置有两种：第一种是封闭气室，可提供类似于激光选区熔化级别的良好惰性气体保护，但封闭气室的大小将限制所制造零件的尺寸；另一种是局部气体保护装置，通常安装于焊炬处，在堆积过程中仅对炽热的熔池及熔池附近区域提供良好的局部惰性气体保护氛围，该装置适合于制造大尺寸构件。

图2 是典型的电弧增材制造系统概况。 电弧增材制造系统主要涉及过程规划、堆积及后处理。 过程规划主要为3D 建模、3D 切片、 轨迹规划及优化等；堆积时，数字化电源与数控运动载具控制了熔池的精确堆积，这期间如温度传感器、激光轮廓仪、CCD 相机、电流电压传感器等均可在线工作，一方面传感器所采信号仅作为过程监测来记录过程状态， 另一方面当这些信号经处理接入控制器后，可基于特殊算法实现对堆积过程的闭环控制，以保证精确控制某些物理量；后处理通常主要指各种机加工、热处理及喷丸等方面的技术，以使零件达到最终使用要求。 当前的电弧增材制造可用于制造铁基、铝基、钛基及镍基金属零件。 由于不同材料的特性存在差异，所制备零件的缺陷也有所不同（图3）。

2 电弧增材制造中的外形控制

由于电弧增材制造本质上是基于一层层焊道的叠加，相较于其他金属增材制造，存在外形尺寸不够精确的问题。 有关提高电弧增材制造零件外形精度的研究可分为轨迹优化、在线控制、复合减材制造等三大类。 本部分主要回顾了关于电弧增材制造过程中外形控制的相关研究。

2.1 轨迹优化类

电弧增材制造是基于一层层焊道的叠加，而普通焊道存在起弧处较高、熄弧处较低的问题。 本部分主要研究在堆积前对过程参数进行优化的策略，以达到较好的成形精度。 如图4 所示，采用交错式堆积，起弧处和熄弧处相互弥补，较好地实现了外形的控制，然而在部分场合下，同向式堆积非常必要。对此，熊俊[11]针对非封闭零件提出了在起弧处增大堆积速度、 在熄弧处减少电流和堆积速度的策略，减弱了起弧处与熄弧处的高度差。 此后，马驰[12]基于已有数控设备运行期间的参数被锁定无法调整及缺乏前瞻算法的缺点，提出了在起弧处采用增大堆积速度及不同起弧段区长度、在熄弧处减少堆积速度及多次停顿的策略，改善了同向堆积时外形不佳的问题（图5）。

此外，李永哲[13]研究了电弧增材制造过程中的多层多道，考虑了熔池流动的情况，提出了带有人工神经网络的迭代算法，可计算出优化后的中心距离，且该算法与实际堆积过程相符合（图6）。

熊俊[14]在不使用倾斜焊枪或旋转工作台的情况下，探索了如何使用水平堆积方式制造倾斜的薄壁件，分别通过改变偏移距离、送丝速度及焊接速度获得了不同的最大倾斜角度（图7）。 熔池主要受表面张力、电弧力、液滴冲击力及重力作用；表面张力是维持熔池稳定的唯一作用力；送丝速度主要改变热输入、电弧力及液滴冲击力；热输入影响表面张力；焊接速度主要影响热输入，通过改变表面张力影响熔池形态。

李永哲[15]还进一步探究如何在水平堆积情况下制造倾斜的多层多道零件，其研究结果表明：为实现良好的外形，可对材料不足的填充区域补充额外的填充金属；在负斜率下，将焊道与已堆积的焊道并排放置在层边缘，可获得更好的成形形状；堆积顺序对于正斜率零件的外形成形影响较小（图8）。

2.2 在线控制类

研究者还对电弧增材制造过程中的零件外形在线控制进行了深入研究。 Kwak[16-18]在基于GMAW的电弧增材制造过程中进行了在线检测和控制研究（图9a），使用了两套结构光传感器在堆积过程中对零件外形（宽度和高度）进行实时在线检测，主要以所测宽度和高度为输入， 采用所设计的双输入、双输出闭环系统，通过对堆积速度和送丝速度分别进行控制，获得了较好的零件外形（图9b）。 在基于PAW 的电弧增材制造过程中，胡晓冬[19]使用被动视觉传感器对堆积过程进行在线检测， 采用模糊PID控制器通过控制电弧电流来控制熔宽。 熊俊[20-21]针对基于GMAW 的电弧增材制造成形不佳的问题进行了一系列的研究。 针对焊道宽度控制，熊俊使用CCD 相机进行了被动视觉检测，通过图像处理算法可实时获得焊道宽度的数据，并设计了一套单神经元自学习PSD 控制器，通过在线控制堆积速度实现零件宽度的精确控制（图10a）；针对堆积件高度，熊俊采用自适应算法控制每一层的层高，但该算法不能完全实现对高度的控制， 每一层堆积完成后，工作台需下降一定的高度，以抵消误差（图10b）。

2.3 复合减材制造类

在电弧增材制造过程中，通过复合铣削可获得良好的成形表面。 通常是每堆积固定层数后就铣削控形或是在零件整体堆积完后整体铣削。 复合减材制造一般需交替进行。 对于机械铣削而言，为避免冷却液对下层堆积造成污染，一般使用压缩空气进行冷却。 Song[22-24]在电弧增材制造过程中复合了传统的机械铣削， 针对堆积过程提出了不同的策略，获得了良好的结果（图11）。由于堆积件无需更换工位，夏然飞[25]采用机械铣削与电弧增材制造相复合的方法在同一台设备上完成了增、减材制造，极大地提高了效率，具体是通过铣削头及电弧增材头的交替工作来实现，为避免二者相互干扰，还通过一套滑轨系统在保证铣削的同时使电弧增材头上升而远离工件，防止其撞到焊炬（图12）。

3 电弧增材制造中的材料质量控制

在所有增材制造类研究论文中，针对电弧增材制造所制备零件材料性能的研究占据了大多数。 这些研究根据所采用方法的不同可分为在线热轧类、冷轧类、表面处理类及电弧增材制造变型等。 本部分将回顾这些研究成果。

3.1 在线热轧类

不同于其他增材制造，电弧增材制造过程中的熔池通常较大。 由于具有较大的热输入，熔池凝固后将在一段时间内（该时间较短）保持高温状态。 而提高电弧电压与电流将增大热输入，焊道保持高温的时间将延长，从而适于各种热加工。 热轧便是其中典型的技术流派。 在线热轧巧妙利用高温焊道的余热进行热加工，节省了能源、提高了效率；同时由于高温下的材料强度较低，显著地降低了轧制载荷和设备刚度要求且减少了采购费用。 在线热轧不仅显著增强了材料性能，也提高了材料外形精度。

张海鸥在2013 年首次提出了混合沉积和微轧制（hybrid deposition and micro-rolling，HDMR）的方法[26]。 该方法在焊炬后方安装了随着焊炬同步运动的小轧辊，通过调节小轧辊与焊炬的距离实现对轧制温度的控制， 可保证轧制温度高于再结晶温度，而小轧辊作用于高温焊道的上表面以实现在线热轧（图13）。 热轧的目的是细化微观结构、消除部分缺陷。 以该方法制备的零件，其强度提高33%、塑性提高2 倍，且零件成形精度也有所提高（图14）。 由于堆积和热轧同步进行，制造效率较高。

之后，张海鸥采用HDMR 制备了中碳钢航空部件[27]，探究了HDMR 对温度与微观组织的影响。 由于微轧辊的冷却作用，HDMR 轧制后的温度骤然下降；由于微轧辊的轧制作用，焊缝的柱状枝晶被转化成破碎枝晶，而下一层堆积过程再加热及塑性变形能共同促进破碎枝晶再结晶， 晶粒尺寸因而减小。此外，采用HDMR 方法制备的零件在强度、塑性及硬度方面均强于其他方法制备的零件，在该研究中采用HDMR 制备的零件已达到航空金属零件的标准（图 15）。

张海鸥还使用二维元胞自动机 （cellular automata，CA） 与有限元方法 （finite volume method，FVM）耦合对HDMR 凝固过程的微观组织演变及轧制变形期间的动态再结晶进行了模拟[28]，探究了轧制减少量对动态再结晶区域比例、平均当量动态再结晶的晶粒半径及动态再结晶区域面积的影响。 其结果表明：当熔池凝固时，柱状晶在固液界面附近成核， 晶粒沿着其晶体学取向向熔池中心生长，最终粗大的柱状晶占据了整个熔池空间。 在随后的轧制中，当轧制减小量对应的累计位错密度达到热加工的临界值时，动态再结晶被触发，并从高能量的晶粒边界、晶粒缺陷（如位错等）处成核及长大。 由于HDMR 过程中的温度和变形分布不均匀，动态再结晶的晶粒不均匀地从顶部分布到底部。 从顶部到底部分别为完全动态再结晶区域、不完全动态再结晶区域（过渡区）及非动态再结晶区域（图16）。从底部到顶部，动态再结晶的晶粒尺寸逐渐增大，这是由于顶部区域在高温与较大变形能下经历了较长的时间，晶粒过度长大；此外，较大的滚压减少量将产生面积更大的动态再结晶区域。 该仿真结果与实验观察的枝晶在总体趋势上保持一致， 对于探究HDMR 过程中微观结构的演变意义重大。

在此之后，张海鸥团队还研究了HDMR 方法对贝氏体钢的影响[29]。 相较于 WAAM 零件，HDMR 制备零件的晶粒尺寸减小到7 μm， 基本消除了各向异性，冲击韧性提高3 倍且塑性更好，性能可达锻件水平，其显著的晶粒细化可归功于初始优化的焊接条件及在奥氏体非结晶区高达44.4%的变形量。

3.2 冷轧类

不同于在线热轧，层间冷轧可被视为后处理技术，通常是在堆积固定层数后实施或在整体堆积完后进行。 由于层间冷轧需在堆积零件处于室温时进行，此时材料强度较高，为达到预定的变形量，所需冷轧载荷较大，通常需通过重型龙门机床实现。 此外， 由于电弧堆积与层间冷轧是分离的两个过程，层间冷轧不会影响电弧堆积过程的稳定性，便于进行各种类型材料冷轧研究。

冷轧最早应用于焊缝，通过材料塑性变形释放残余应力[30]，之后被引入电弧增材制造中。Colegrove较早地探索了高压层间冷轧对电弧增材制造制备零件的影响[31]。在该研究中，电弧堆积与层间冷轧交替进行（图17 和图18），显著减小了变形及残余应力，甚至生成了有益的残余压应力，同时获得了显著的晶粒细化，这归功于轧制过程中产生的大变形（较高的位错密度） 在下一层的再加热过程中促进了较细奥氏体晶粒的生成，随着冷却的进行，较细的奥氏体晶粒转化为小尺寸的铁素体晶粒。 此外，槽型轧辊在材料性能提高方面优于异型轧辊。

在电弧增材制造制备的Ti-6Al-4V 零件中，由于其特殊的凝固条件，通常会生成较大较粗的柱状β 晶粒，这降低了材料性能。 Martina 使用高压层间冷轧技术处理电弧增材制造制备的Ti-6Al-4V 零件[32]，零件微观组织从初始较大的柱状β 晶粒转化为尺寸在56～139 μm 之间的等轴晶。轧制产生的大变形提供了较大的位错密度与变形能量，促进下一层堆积时的再加热过程中的再结晶， 细化了晶粒，其研究也表明变形量对再结晶过程起主要作用。Donoghue[33]也探究了层间冷轧对钛合金零件的影响，其研究表明：在电弧增材制造过程中，每层仅需较低的变形即可大幅度减小β 晶粒的尺寸。 EBSD的分析表明，初始厘米级的较大β 柱状晶尺寸可减小至 100 μm 以下（图 19）。

顾江龙[34]研究了热处理及层间冷轧对Al-6.5Cu合金的增强效果。 在该研究中，层间冷轧采用的轧制载荷分别为 15、30、45 kN。 研究结果表明： 采用45 kN 层间冷轧制作的零件， 其强度极限和屈服强度分别可达314、244 MPa， 然而堆积后热处理比冷轧更有效，经T6 热处理的未轧制与经T6 热处理后的45 kN 轧制零件，其强度极限和屈服强度都分别达到 450、305 MPa，超过锻造 2219-T6 合金时的强度（图 20）。

顾江龙还研究了层间轧制对Al-Mg4.5Mn 合金的影响[35]，发现在电弧增材制造过程中，层间冷轧的应用显著地提高了该合金零件的性能，相较于未采用层间冷轧的情况，采用层间冷轧的零件在平均显微硬度、屈服强度以及强度极限性能方面分别增强了40%、69%及18.2%，同时材料的塑性未有明显下降，此时材料性能的提高可归功于晶粒细化、变形强化及固溶强化。

然而，由于层间冷轧需使用高达75 kN 的轧制载荷，所用设备笨重与庞大且采购费用高昂，层间冷轧当前仅适用于处理外形结构简单的零件。

3.3 表面处理类

表面处理方法也应用于电弧增材制造中，这属于典型的后处理技术。 常见的表面处理方法有机械冲击、激光冲击强化、喷丸等。 通常，表面处理方法的作用厚度有限，只能提高表层材料的性能，适用于对表面质量要求较高的场合。 Honnige[36]采用气动工具产生了约200 Hz 的中等频率振动，通过小直径压头锤击材料，提高了Ti-6Al-4V 的性能（图21）。其研究表明，压头尖端经历了弹性变形及较大的塑性变形，得到了厚度3 mm 的表层晶粒细化区。硬度测量和EBSD 图可用于识别冷加工区域下的塑性变形材料，以预测晶粒细化区的最小尺寸。孙如建[37]使用激光冲击强化技术处理电弧增材制造制备的2319 铝合金零件。如图22 所示，表层区内平均晶粒尺寸从59.7 μm 下降到46.7 μm，产生了厚度为1.2 mm 的表面硬度提高层，且在厚度超过0.75 mm 时，残余应力从拉伸状态转化为压缩状态。 此外，以塑性显著降低为代价， 屈服强度提高了72%（图23）。硬度显著提高，可归功于高密度位错和机械栾晶。

3.4 电弧增材制造变型类

在传统的电弧增材制造中，电弧产生于堆积丝或钨极与基板或焊道之间，电弧在熔化堆积丝的同时也将加热焊道，形成较大热影响区且分层明显。

贾传宝[38]创新地提出一种强制约束型电弧增材制造技术（CC-WAAM）。 高温电弧主要产生于封闭气室内的堆积丝与钨极之间，大部分的电弧热量用于熔化堆积丝而非加热基板或焊道，减少了电弧增材制造过程中对前一层焊道的热输入（图24）；由于电弧与熔滴在保护气的裹挟下喷射通过较细的陶瓷喷嘴，电弧受到约束，产生高挺度电弧等离子，该电弧在熔滴过渡中起保温作用，以保证与前一层焊道之间良好结合。 该方法相当于剥离了传统电弧增材制造过程中电弧的产生、堆积丝的熔化与基板或前一层焊道的联系，由于电弧产生于堆积丝与钨极之间， 基本不受堆积速度影响而始终保持稳定，提高了电弧增材制造过程的稳定性和操作性。

贾传宝还设计加工了带耐高温玻璃水冷铜喷嘴，借助高速摄像机观察了CC-WAAM 期间在密闭空间的电弧和熔滴的物理生成过程[39]（图25）。 结果表明：在低水平电参数下，电弧行为和熔滴转移非常不稳定， 导致熔滴转移直径较大且过渡频率较低；在高水平电参数下，可获得直径0.8 mm 的熔滴和300 Hz 的频率； 气体会在低电参数下使电弧弥散，并在高电参数下使电弧饱满。 此外，贾传宝还对熔滴进行了力分析，并解释了熔滴过渡轨迹。

贾传宝在CC-WAAM 过程中使用高速摄像机观察了电弧、熔滴以及熔池的动态行为，研究了狭窄空间内可能发生的相互作用[40]（图26）。 结果表明：喷射等离子体的温度至少为6000 K；初步建立了电流和熔滴直径之间的关系， 以预测熔滴尺寸，尽管液体扩散及积聚导致堆积层的最小宽度大于熔滴直径，但所得熔滴最小直径为0.89 mm，为增强增材制造层的精度提供了较大的潜力；在较宽的参数范围下，堆积层表现出良好的外观，表明该技术适用性较好。

4 讨论与结论

当前针对电弧增材制造的研究中，提高堆积过程的稳定性、消除或减少堆积缺陷以制备出高质量和高机械强度的零件是重点内容。 电弧增材制造涉及电磁、材料、冶金、传热、流体等众多技术方面，整体较为复杂，通常需进行整体系统分析才能制备出高质量、无缺陷的零件。 对此，可考虑以下四个重要点：原材料的优化、制造过程、后处理过程及其他新颖的电弧增材制造技术改型。

（1）当前电弧增材制造过程中，大多数的堆积丝采用技术成熟、价格便宜的焊丝。 如果填充丝存在小缺陷， 对于焊接过程中的焊缝影响可能不大，但电弧增材制造制备的零件全部由熔覆金属构成，填充丝的缺陷将在零件中累积，会产生不可预料的后果。 因而相较于焊接，电弧增材制造对填充丝的质量要求更高。 为细化晶粒及提高堆积的稳定性，可在填充丝中添加一些成核元素或其他元素，从而开发出新配方的堆积丝。 此外，拓宽当前电弧增材制造技术可制备的材料种类也十分必要，可增加其应用范围。 当前，在电弧增材制造中，除了常规的铁基、铝基、钛基、镍基等金属外，形状记忆合金也能被成功制备[41]。

（2）在堆积过程中，合适的参数也是保证零件质量的关键。 对于碳钢材料来说，普通的直流模式即可保证其质量，而对于铝合金而言，若采用相同的方法将产生显著的气孔缺陷，若采用CMT-PADV方法，气孔缺陷将显著减少。 对不同材料而言，特定的工艺是必需的。 此外，过程温度监控、电弧特性监控及熔滴过渡监控都十分必要，有利于保证堆积过程的稳定性及避免缺陷生成。

（3）后处理是保证电弧增材制造件性能的另一个重要途径，通常用于降低残余应力及变形、细化晶粒、增强机械强度与硬度。 常见的后处理有热处理、喷丸和超声冲击强化等。 然而，当前喷丸及超声冲击强化技术仅能处理表层的材料性能，作用范围有限，存在较大局限性。 今后，需研究更加新颖的后处理方法，以减少缺陷和提高性能。

（4）其他基于电弧增材制造技术的创新改型也是目前该领域研究的重点，部分方法可从根本上改变当前电弧增材制造技术中存在的一些问题，这对于电弧增材制造的发展十分必要。

本文对电弧增材制造技术的发展脉络及技术流派进行了详细回顾，主要涉及为提高外形精度及材料性能而开展的各种有益尝试。 本文划分技术流派时，与常见的根据材料、性能提高等划分方法不同，也未过多地将关于电弧形态、熔滴过渡及温度分布等研究考虑在内，旨在为研究人员提供不同的分析视角。 当前，部分电弧增材制造产品在实验室环境下已达到了商用标准，但如何在商业环境下保持较高良品率及操作的便利性，仍是巨大挑战。 电弧增材制造集成了物理焊接、热机械工程、材料科学及机电一体化技术， 其优化过程通常顾此失彼，较为复杂。 不同材料、不同形状规格的零件所采用的工艺差别较大，开发一款在保证产品质量的条件下的能制造所有材料及不同规格零件的设备难度非常大。 未来，针对特定材料或特定零件开发特定的机床将是较为可行的途径，这将加快电弧增材制造技术的商用及提高市场占有率。