三维焊接快速成型技术的研究现状

甘肃省特种设备检验检测研究院，甘肃 兰州 730050

1 三维焊接快速成型技术研究现状

弧焊快速成型技术，也称成型焊接（shape welding），该技术的发展最早可以追溯到20世纪60年代。随着技术的发展，弧焊快速成型技术的研究取得了突破性的成果，主要包含等离子弧焊（Plasma-Arc Welding,PAW）、熔化极气体保护焊（Gas Metal Arc Welding,GMAW）、非熔化极气体保护焊（Gas Tungsten Arc Welding,GTAW），特别是在此基础上，发展出了结合熔化极气体保护电弧与增材（Additive Manufacturing,AM）制造优势的GMA-AM技术[1]。

快速成型技术最初在国外被实践应用，例如，德国Shulzer与Krupp Thyssen两家公司应用此技术生产形状简单的大型压力容器；美国Babcack & Wilcox公司最开始应用等离子混合焊与熔化极气体保护焊进行奥氏体不锈钢大型零件的生产任务；美国Rools ROYCE航空集团应用这项技术制造了性能较高的合金零件、Ni基与Ti基的材料飞行器零部件。随着快速成型技术的不断发展，结合焊接工艺和快速成型基本原理，可以达到直接制造或原形制造产品零部件的目的，因此，三维焊接技术（3D Welding）迎来了快速发展时期。全功能三维柔性焊接工装平台如图1所示。

图1 全功能三维柔性焊接工装平台

现阶段，快速成型技术的研究主要将发展重点聚焦于激光熔敷和激光烧结领域，未能在弧焊快速成型方面给予足够投入。各大研究机构快速成型技术的研究方向及成果如表1所示。

表1 各大研究机构快速成型技术的研究方向及成果

英国诺丁汉大学相关研究团队应用六轴焊接机器人与熔化极气体保护焊接工艺相结合的方式，实现了零件三维焊接快速成型。随着焊接领域技术发展速度的提升，三维焊接也引进了各种新型弧焊方法。我国装甲兵工程学院相关研究团队也开展了相关研究，研究重点方向主攻冷金属过渡（Cold Metal Transfer,CMT）焊接基础上的快速成型工艺。而且研究人员在冷金属过渡焊接技术快速成型方法的基础上进行了拓展研究，可以制造用于轮船的三叶螺旋桨。该团队还应用脉动送丝方式，在熔化极气体保护焊基础上，进行快速成型的相关研究，极大程度上提升了焊缝表面质量。天津大学相关学者同样进行了相同方向的研究，在成型路径不同的前提下，研究了环状件成型受到引弧与熄弧的不同影响[2]。

在研究弧焊快速成型材料与组织方面，国内国外专家团队的主要研究方向为金属材料，例如铝基、铁基和钛基等不同类型的金属，其中以金属粉末材料为主要研究方向。对于三维焊接快速成型而言，应用丝材能够令成型效率大幅度提升。国外学者基于此进行了关于5356铝合金快速成型技术的相关研究，对铝合金试件组织变化情况，以及性能前后差异进行深入分析。英国谢菲尔德大学相关研究团队主要研究在TIG热源环境下，钛合金件直接成型的情况，并对处在不同位置的成型件力学与组织性能进行测试，开展针对性研究。除此之外，英国克兰菲尔德大学相关研究团队的主要研究方向为通过熔化极气体保护焊方式，使Ti-6Al-4V快速成型。澳大利亚伍伦贡大学相关研究团队的主要研究方向为采用TIG方式，使Ti-6Al-4V快速成型。我国哈尔滨工业大学相关研究团队的主要研究方向为Inconel 625等离子弧合金弧快速成型组织控制，还在此基础上进行了工艺的优化，例如制备单道多层薄壁墙、多层多道方块体试样[3]。

鉴于三维焊接热源的熔融过程属于多重加热，在工件制造阶段，不能均匀分布温度场，参数较多、耦合较强，而且呈现非线性变化，过程较为复杂，此时热过程会对热应力和变形产生较大影响，最终对工件形变情况与残余应力起到决定性作用。基于此，关于三维焊接快速成热过程和应力应变等相关研究也是时下学术研究的大热门。哈尔滨工业大学相关研究团队利用有限元模拟的方式，分析熔化极气体保护焊快速成型间隔冷却与连续沉积情况下温度场的分布特征，对沉积阶段过渡重熔与热量累积受到间隔冷却时间的影响进行研究，判断其影响规律。如果热源为焊接电弧，在此基础上，研究单层沉积制造阶段形变情况和热应力分布情况。该团队还应用了有限元模拟的方式，对GMA-AM阶段温度场应力应变规律进行了研究，对不同情况堆积过程，例如单层多道、多层单道、多层多道的情况进行了深入研究，并对成型阶段应力应变、温度场情况受到堆积长度、堆积路径、道间等待时间受到的影响进行了分析，以控制多层单道GMA-AM快速成型和熔敷尺寸[4]。

在控制成型零件精度的问题上，美国南卫理公会大学的研究团队基于各种类型的焊接工艺，例如非熔化极气体保护焊和熔化极气体保护焊等，开发了相关快速成型技术，可以和数控技术高度结合，用于金属零件的制造。韩国Institute of Science and Technology CAD/CAM 研究中心充分集合铣削技术和三维焊接技术，能够在金属零件的制造阶段，使金属零件直接成型。另外，由于焊接是一项高温复杂的过程，会涉及多参数强耦合，因此我国南昌大学研究团队基于快速成型数据处理技术提出了新型数据处理技术，包含前期造型和处理、中期分层与尺寸补偿、后期轨迹填充与熔敷加工等环节。

2 现阶段三维焊接快速成型技术面临的困境

尽管三维焊接快速成型技术的发展情况较为理想，但是各方面存在的问题仍然不容忽视。具体包含以下问题：（1）材料问题。当前应用较为广泛的材料主要包含粉末与丝材两个方面，粉末材料以铁基或镍基等自溶剂合金粉末为主，丝材则通常应用不锈钢焊丝与低碳钢合金焊丝等材料。此类材料往往在开发层面都是基于金属零件表面焊接进行的，和焊接熔敷快速成型方面的匹配程度不高。例如在快速成型多层熔覆技术环境下，合金粉末会导致熔覆层具备潜在开裂风险，容易出现形变和应力积累的问题，无法保证成型质量与精度达到要求。（2）成型组织与性能问题。三维焊接快速成型方法，其基本原理在于对焊接技术的灵活应用，同构逐层堆焊的手段，达到零件制造的目的，因此在制造阶段，相较于普通焊接过程，无论是热循环，还是组织转变过程，都会更加复杂，在控制零件性能上也会平添更多难度[5]。（3）成型精度控制问题。采用逐层熔覆堆积手段会出现内应力与残余应力产生和残留的问题，使零件制造出现翘曲变形的问题。焊接应力如果处理不到位，很容易导致诸多工艺缺陷，如脆性断裂、冷裂纹、热裂纹等，如果变形累积到一定程度，还会对工件的几何精度产生较大负面影响，甚至会直接中断快速成型过程。

3 结束语

综上所述，关于三维焊接快速成型技术的研究，国内外研究机构都有所建树，当前该技术主要在制造成型工艺上，用于生产零件毛坯的情况较多，相信未来随着科学技术的不断发展，三维焊接快速成型技术将会呈现出更多元化的发展方向。