電弧熔絲增材制造綜述：物理過程、研究現(xiàn)狀、應(yīng)用情況及發(fā)展趨勢

1、PAGE 18 -電弧熔絲增材制造綜述：物理過程、研究現(xiàn)狀、應(yīng)用情況及發(fā)展趨勢摘要：介紹了電弧熔絲增材制造（Wirearcadditivemanufacturing，WAAM）的工藝特點(diǎn)、系統(tǒng)組成和增材制造中發(fā)生的物理過程。重點(diǎn)從電弧增材裝備系統(tǒng)研發(fā)、過程檢測與控制、微觀組織性能和缺陷、成形工藝與參數(shù)分析等四個(gè)方面論述了WAAM研究現(xiàn)狀。當(dāng)前研究熱點(diǎn)是考察形成件微觀組織和力學(xué)性能，分析成形件中的殘余應(yīng)力、變形、孔隙、開裂和分層等缺陷問題。另一個(gè)研究熱點(diǎn)是針對不同的材料體系和不同的焊接工藝，考察影響成形件精度和表面形貌的關(guān)鍵因素。論文對于WAAM國內(nèi)外的應(yīng)用情況也作了簡要介紹。綜述發(fā)現(xiàn)，WAAM

2、基礎(chǔ)研究較為薄弱，特別是傳熱傳質(zhì)機(jī)理十分缺乏，亟需準(zhǔn)確系統(tǒng)的理論和模擬研究促進(jìn)該技術(shù)的發(fā)展，為WAAM提供精細(xì)化指導(dǎo)。關(guān)鍵詞：增材制造;電弧;綜述;基礎(chǔ)研究中圖分類號(hào)：TG444前言增材制造技術(shù)（亦稱3D打印技術(shù)）是中國制造2025國家戰(zhàn)略規(guī)劃的重點(diǎn)發(fā)展方向之一，被國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、美國科學(xué)基金會(huì)等認(rèn)為是20世紀(jì)制造技術(shù)的一項(xiàng)重大創(chuàng)新，并受到世界科技強(qiáng)國和新興國家的高度重視1。它集成了數(shù)字建模技術(shù)、機(jī)械加工技術(shù)和材料科學(xué)等諸多前沿科技，由計(jì)算機(jī)控制將材料逐層累加制造實(shí)體零件，不再依賴傳統(tǒng)機(jī)加工所需的刀具、夾具、模具和各種繁瑣的加工工序，可快速精密地制造出任意復(fù)雜形狀的零件，不僅縮短了加工

3、周期，還極大節(jié)約了原材料，因而在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、能源化工、微納制造等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景2。國家制造強(qiáng)國建設(shè)戰(zhàn)略咨詢委員會(huì)發(fā)布的中國制造2025重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新綠皮書針對增材制造提出重點(diǎn)突破具有系列原創(chuàng)技術(shù)的鈦合金、高強(qiáng)合金鋼、高強(qiáng)鋁合金、高溫合金等高性能大型關(guān)鍵構(gòu)件高效增材制造工藝，重點(diǎn)發(fā)展激光、電子束、離子束及其它能源驅(qū)動(dòng)的主流工藝裝備。過去20年以激光、電子束為熱源的粉基金屬增材發(fā)展迅速，但是這兩種技術(shù)裝備成本高，不適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，目前主要應(yīng)用于成本較高的航空航天、軍工等高精尖領(lǐng)域。尤其是對于鋁、銅、鎂等一些高反射率金屬合金，激光熱源能量利用率低，而電子束熱源需要在真空空間操作，

4、限制了加工件的體積3。因此，基于離子束的電弧熔絲增材制造越來越受到研究者關(guān)注4-5。該技術(shù)基于熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）、鎢極惰性氣體保護(hù)焊（TIG）、等離子弧焊（PAW）、冷金屬過渡焊（CMT）等焊接技術(shù)發(fā)展而來，可在現(xiàn)有的焊接行業(yè)進(jìn)行改造，投資成本低，并且具有沉積效率高、材料利用率高、對零件尺寸限制少、零件易于修復(fù)等優(yōu)點(diǎn)6?，F(xiàn)今大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的各種金屬結(jié)構(gòu)件逐漸向大型化、整體化、智能化發(fā)展，傳統(tǒng)的鑄造、鍛造結(jié)合機(jī)加工的制造模式越來越呈現(xiàn)出效率低、成本高的弊端。WAAM熱輸入高，成形速度快，適用于大尺寸復(fù)雜構(gòu)件低成本、高效快速近凈成形，具有其他增材技術(shù)不可比擬的效率與成本優(yōu)勢。它被歐

5、洲航天局稱為一種低能耗、可持續(xù)的綠色環(huán)保制造技術(shù)，受到國內(nèi)外工業(yè)界的高度重視，許多政府機(jī)構(gòu)、大學(xué)、科研院所、企業(yè)紛紛投入人力、財(cái)力和物力進(jìn)行重點(diǎn)研究，力爭在WAAM領(lǐng)域占據(jù)先機(jī)。1WAAM工藝系統(tǒng)及物理過程WAAM是一項(xiàng)跨學(xué)科的前沿科學(xué)技術(shù)，涵蓋了材料科學(xué)、工程熱物理、焊接加工和機(jī)械自動(dòng)化與控制等多學(xué)科問題。其工藝系統(tǒng)較為復(fù)雜，如圖1所示7，包含了計(jì)算機(jī)控制單元、電弧焊機(jī)、焊接機(jī)器人、焊槍、基板等多個(gè)單元。WAAM目前主要用于制造幾何形狀及結(jié)構(gòu)較為簡單的零件，成形精度低，一般都需要機(jī)械再加工。這一方面由于其工藝系統(tǒng)需要多個(gè)單元的精確配合，另一方面是由于其物理過程復(fù)雜。該技術(shù)以高溫液態(tài)金屬熔滴過

6、渡的方式進(jìn)行，零件熱積累隨堆積層數(shù)增加，熔池不易凝固，堆積層形狀難于控制。尤其在零件的邊緣，熔池處于弱拘束狀態(tài)，流動(dòng)性較高，使得零件的邊緣形態(tài)與尺寸控制困難。圖2展示了WAAM的物理過程，涉及了電弧與焊絲間的傳熱、焊絲熔化及熔滴形成、熔滴下落及與基板碰撞、凝固成形等多個(gè)物理過程，每個(gè)過程都可能對最后的成形精度和產(chǎn)品性能產(chǎn)生重要影響。這些過程既包含了質(zhì)量、動(dòng)量和能量的多重傳遞，也跟電弧熱源中的電場和磁場等多物理場作用相關(guān)。同時(shí)，該過程不斷發(fā)生非平衡快速熔化/凝固，材料微觀組織結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)演變，繼而對材料宏觀物性和力學(xué)特性產(chǎn)生重要影響。從上述分析可以看出，WAAM中每一個(gè)物理過程都對成形質(zhì)量產(chǎn)生重要作

7、用，而且該技術(shù)還包含了從微觀尺度到宏觀尺度的多尺度關(guān)聯(lián)問題，因此需要深入研究其物理機(jī)理。2WAAM國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前WAAM主要處于試驗(yàn)設(shè)計(jì)與探索階段，研究者開發(fā)各種裝備系統(tǒng)，測試不同系統(tǒng)下的成形基本規(guī)律和相關(guān)影響因素，積累工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)前研究主要集中在電弧增材裝備系統(tǒng)研發(fā)、過程監(jiān)測與控制、微觀組織性能和缺陷、成形工藝與參數(shù)分析等方面，詳細(xì)的進(jìn)展綜述如下。2.1WAAM裝備系統(tǒng)研發(fā)WAAM最早可追溯至1925年美國西屋電器的Baker等人首次以電弧為熱源通過金屬熔滴逐層沉積的方式制造3D金屬物的專利。但是其后并未受到太多重視，直到20世紀(jì)90年代中期，英國克蘭菲爾德大學(xué)應(yīng)用WAAM技術(shù)為著名

8、航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司羅爾斯-羅伊斯成功制造出飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金機(jī)匣，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)才開始重視該技術(shù)，開辟了金屬增材制造的又一研究方向。WAAM主要由電弧焊接系統(tǒng)和焊接機(jī)器人或數(shù)控機(jī)床構(gòu)成，數(shù)控機(jī)床多作為形狀簡單、尺寸較大的大型構(gòu)件成形;焊接機(jī)器人具有更多的運(yùn)動(dòng)自由度，與數(shù)控變位機(jī)配合，在成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)及形狀上更具優(yōu)勢。表1介紹了國內(nèi)外WAAM研究機(jī)構(gòu)的裝備系統(tǒng)。可知，英國克蘭菲爾德大學(xué)是WAAM技術(shù)的前沿領(lǐng)導(dǎo)者，他們開發(fā)了基于TIG，PAW和CMT的多套成形裝備系統(tǒng)，國內(nèi)外其它研究機(jī)構(gòu)也開發(fā)了電弧焊接+機(jī)器人/數(shù)控機(jī)床的裝備系統(tǒng)。WAAM系統(tǒng)中熱源往復(fù)移動(dòng)，與成形環(huán)境發(fā)生強(qiáng)烈瞬時(shí)傳熱作用，熔池變化劇烈

9、，導(dǎo)致成形過程不穩(wěn)定，尺寸精度較低。開發(fā)出更加穩(wěn)定成形的裝備系統(tǒng)以保證尺寸精度是WAAM的研究方向之一。2.2過程監(jiān)測與控制為了實(shí)現(xiàn)電弧增材制造過程的精確控制，必須進(jìn)行堆積狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測、反饋與在線控制，這也成為WAAM研究的一個(gè)熱點(diǎn)。一些研究者采用激光視覺傳感系統(tǒng)對熔覆層形貌特征進(jìn)行監(jiān)測16-17，不過檢測過程存在滯后性。另有研究者采用更簡便的被動(dòng)視覺傳感檢測，無需外加輔助光源，直接利用弧光照明檢測區(qū)域，其中CCD傳感器被廣泛用來監(jiān)控電弧弧長、液態(tài)熔池形貌、堆積層高度和寬度等重要參數(shù)18-19。此外，還有研究者20-21通過檢測電弧電壓、電流信號(hào)，以此識(shí)別成形狀態(tài)，并對焊接工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，

10、保證成形尺寸要求。電弧增材制造過程影響因素眾多，如熔滴過渡、溫度場分布、熔池形態(tài)、散熱條件等都處于動(dòng)態(tài)變化之中，需要繼續(xù)開發(fā)簡便快捷的方法監(jiān)測堆積形貌和尺寸，并設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)對工藝參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，而目前針對實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)的研究較少，這是一個(gè)需要加強(qiáng)探索的方向。2.3微觀組織性能和缺陷電弧的熱輸入較高，已成形構(gòu)件受到熱源往復(fù)加熱，成形過程熱積累較高，會(huì)產(chǎn)生多種缺陷，如孔隙、高殘余應(yīng)力和開裂，特別是對于暴露在極端環(huán)境中的零件，這些缺陷會(huì)導(dǎo)致失效，如高溫疲勞。某些材料容易受到特定缺陷的影響，如鈦合金的嚴(yán)重氧化、鋁合金的孔隙、雙金屬部件的嚴(yán)重變形和裂紋等。因此，WAAM形成件微觀組織和力學(xué)性能的研究

11、一直是該領(lǐng)域的關(guān)注焦點(diǎn)。研究人員針對不同材料進(jìn)行增材制造，檢測其顯微組織和力學(xué)性能。鈦合金材料22-23、鋁合金材料24-25、鎳合金材料26-27是目前最受關(guān)注的研究材料。此外，2Cr13，CrNi不銹鋼、鐵鋁、銅鋁、鐵鎳、鐵銅等雙金屬材料也受到了一定程度的關(guān)注28-29。2.3.1殘余應(yīng)力和變形殘余應(yīng)力可導(dǎo)致零件變形、形位公差損失、沉積過程中分層以及部件的疲勞性能和斷裂抗力惡化。Ding等人30發(fā)現(xiàn)，殘余應(yīng)力均勻地分布在WAAM沉積壁上，前一層的殘余應(yīng)力對后一層的影響很小。但松開夾緊裝置后，頂部應(yīng)力比基板的界面處低得多，從而導(dǎo)致組件彎曲變形。由于材料的熱膨脹差異，雙金屬構(gòu)件表現(xiàn)出較高的殘余

12、應(yīng)力和變形，在使用雙金屬材料時(shí)，需要精確的層間溫度控制。鉻鎳鐵合金具有相對較低的殘余應(yīng)力，但它更容易受到分層、屈曲和翹曲等工藝缺陷的影響，因?yàn)槠錃堄鄳?yīng)力通常高于屈服應(yīng)力31。賈金龍等人32基于溫度函數(shù)法建立了鋁合金電弧增材制造的有限元模型，對制造過程的殘余應(yīng)力和變形進(jìn)行了計(jì)算，大大縮短了傳熱分析時(shí)間。研究顯示一些后處理方法可以有效緩解殘余應(yīng)力和變形，Colegrove等人33指出軋制處理可以細(xì)化WAAM成形件的組織，降低其殘余應(yīng)力和表面粗糙度。Martina等人34在Ti6Al4V材料的WAAM成形過程中，每道沉積層都采用了高壓軋制，顯著減少了變形與殘余應(yīng)力。2.3.2孔隙孔隙是WAAM加工中

13、的另一個(gè)常見缺陷，它會(huì)導(dǎo)致零件的機(jī)械強(qiáng)度降低，還會(huì)使沉積層形成較低的疲勞性能。一般來說，這類缺陷主要分為原材料引起的缺陷35和工藝引起的缺陷36。WAAM原材料通常具有一定程度的表面污染，這些污染物很容易被吸收到熔池中，并在凝固后產(chǎn)生孔隙。在常見的工程材料中，鋁合金最容易出現(xiàn)這種缺陷。工藝導(dǎo)致的孔隙主要是由于路徑規(guī)劃不當(dāng)或沉積過程不穩(wěn)定造成的。當(dāng)沉積路徑復(fù)雜或制造工藝多變時(shí)，容易產(chǎn)生不充分的熔合或飛濺，從而在這些受影響區(qū)域產(chǎn)生間隙或空隙。Ge等人37采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)表征相結(jié)合的方法，探討了2Cr13零件熱歷史與非均勻微孔的內(nèi)在聯(lián)系。2.3.3開裂和分層開裂和分層不僅涉及到制造過程的熱特征，而

14、且還涉及到沉積層的材料特性。通常，WAAM組件開裂屬于凝固裂紋或晶界裂紋38。雙金屬材料組合，如Al/Cu，Al/Ti和Al/Fe，在采用WAAM工藝制造時(shí)極易開裂和分層。此外，因鉻鎳鐵合金容易產(chǎn)生凝固裂紋問題，因?yàn)樵谧罱K凝固時(shí)存在液膜39。2.4成形工藝與參數(shù)分析WAAM技術(shù)涉及了極為復(fù)雜的多學(xué)科綜合問題，針對各學(xué)科各因素的研究方向非常多，但成形工藝非常關(guān)鍵，因其本質(zhì)可以看作金屬材料在電弧熱作用下的快速熔化和凝固過程，微觀組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能都跟熱物理過程密切相關(guān)。該過程涉及大量的傳熱、傳質(zhì)及兩者的耦合問題，這也是WAAM研究急需突破的方向。目前的研究主要通過大量試驗(yàn)手段，針對不同的材料體系和

15、不同的焊接工藝，考察影響成形件精度和表面形貌的關(guān)鍵因素。學(xué)者們比較關(guān)注的因素有焊接速度、焊絲直徑、送絲速度、電流、弧長、層間溫度、基板溫度、焊道間距等。EscobarPalafox等人40采用統(tǒng)計(jì)方法探討了鎢極氣體保護(hù)焊接工藝參數(shù)對成形件參數(shù)影響規(guī)律。Ouyang等人9采用變極性GTAW制造了鋁合金零件，發(fā)現(xiàn)基板的預(yù)熱、焊接弧長及焊接熱輸入的精確控制對成形具有關(guān)鍵作用。尹玉環(huán)等人41研究了道次間冷卻時(shí)間和不同層間冷卻時(shí)間對鋁合金增材成形的影響，發(fā)現(xiàn)冷卻時(shí)間對成形效果有重要影響。柏久陽等人42建立了焊道間距計(jì)算模型，研究了單層多道結(jié)構(gòu)的表面形貌與單條焊道形貌、焊道間距和焊道數(shù)目的關(guān)系。從保強(qiáng)等人

16、43發(fā)現(xiàn)控制送絲速度和焊接速度比可實(shí)現(xiàn)對鋁合金增材成形高度和寬度的有效控制。Li等人44提出了一種新型的多點(diǎn)支撐固定系統(tǒng)（FMSF），能夠動(dòng)態(tài)調(diào)控加工面和約束力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)加工過程中的動(dòng)態(tài)變形控制。一些研究者針對多層焊道時(shí)熱積累問題進(jìn)行研究45，提出了調(diào)控工藝參數(shù)46-47或增加外部輔助制冷48-49的控制方案。為了能夠達(dá)到較強(qiáng)的熱、質(zhì)解耦調(diào)控效果，一些多電極電弧熱源50-51在增材制造中得到了初步應(yīng)用。山東大學(xué)新近開發(fā)的一種強(qiáng)制收縮WAAM工藝防止過熱輸入，能夠產(chǎn)生均勻微觀結(jié)構(gòu)和細(xì)晶粒52，展現(xiàn)了較好的應(yīng)用潛力。當(dāng)前制約WAAM發(fā)展的一個(gè)瓶頸是基礎(chǔ)研究較為薄弱，對于整個(gè)過程的物理機(jī)理缺少定量的

17、理論認(rèn)識(shí)。國內(nèi)外公開發(fā)表的關(guān)于WAAM傳熱傳質(zhì)基礎(chǔ)理論的文章很少，僅對電弧物理特性53、熔池內(nèi)傳熱與流動(dòng)54-55、熔池溫度場和熱應(yīng)力變化56等物理過程進(jìn)行了少量宏觀尺度的模擬，缺少多學(xué)科多尺度的綜合系統(tǒng)研究。3WAAM應(yīng)用情況國外在WAAM領(lǐng)域研究起步早，特別是英國在電弧增材制造領(lǐng)域處于國際前沿，以克蘭菲爾德大學(xué)為代表的一批研究機(jī)構(gòu)在政府和企業(yè)出資下，針對電弧增材系統(tǒng)裝備、成形件力學(xué)性能、殘余應(yīng)力及變形控制和復(fù)雜形狀構(gòu)件成形路徑規(guī)劃等方面開展了大量研究，推動(dòng)了WAAM的工業(yè)化應(yīng)用。他們利用WAAM技術(shù)成功制造出了飛機(jī)機(jī)翼翼梁和起落架支撐外翼肋等大型框架構(gòu)件，如圖3所示57，其制造的鈦合金構(gòu)件

18、力學(xué)性能達(dá)到鍛件水平，應(yīng)用該技術(shù)制造的部分構(gòu)件比傳統(tǒng)機(jī)加工節(jié)省約78%的原材料58。此外，他們還利用WAAM技術(shù)制造了鋁合金零件，如圖4所示57，處于國際領(lǐng)先水平。挪威NorskTitanium公司采用該技術(shù)已為空中客車A350飛機(jī)和波音787Dreamliner飛機(jī)提供鈦合金零部件，如圖5所示，其WAAM鈦合金技術(shù)獲得了美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）的TRL8級(jí)認(rèn)證。電弧熔絲增材制造當(dāng)前主要應(yīng)用于航空、航天和軍工等領(lǐng)域，但是隨著技術(shù)的發(fā)展，其在油氣行業(yè)的商業(yè)價(jià)值也開始顯示出來。大口徑、高強(qiáng)度厚壁三通管件制造一直都是我國高壓長輸管線建設(shè)的瓶頸之一，中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院聯(lián)合南方增材科技

19、有限公司，在國內(nèi)首次將WAAM制造技術(shù)應(yīng)用于高鋼級(jí)、大口徑厚壁三通管件的制造，克服了傳統(tǒng)制造方法的壁厚壁壘，產(chǎn)品性完全滿足中俄東線低溫環(huán)境用X80熱擠壓三通管件的標(biāo)準(zhǔn)要求。國內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、首都航天機(jī)械有限公司等單位也開展了WAAM技術(shù)研究，并成功試制了許多零部件，如圖6和圖7所示。但總體來說，國內(nèi)的WAAM在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面還處于起步階段，與先進(jìn)國家相比還存在一定的差距，需要大力推動(dòng)該方向的研究。4結(jié)束語綜合上述分析可以看出，WAAM研究以試驗(yàn)測試為主，學(xué)者們搭建不同的裝備系統(tǒng)測試成形基本規(guī)律和主要影響因素，在電弧增材裝備系統(tǒng)研發(fā)、過程檢測與控制

20、、微觀組織性能和缺陷、成形工藝因素等方面取得了較多的進(jìn)展，但是在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用領(lǐng)域還有一定的距離。今后需要繼續(xù)開發(fā)出更加穩(wěn)定成形的裝備系統(tǒng)以保證尺寸精度，開發(fā)簡便快捷的方法監(jiān)測堆積形貌和尺寸，并設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)對工藝參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。目前學(xué)者們關(guān)注的重點(diǎn)在于成形件組織性能和成形工藝設(shè)計(jì)開發(fā)，但是WAAM基礎(chǔ)研究較為薄弱，對于整個(gè)過程的物理機(jī)理缺少定量的理論認(rèn)識(shí)，特別是針對WAAM過程傳熱傳質(zhì)的基礎(chǔ)研究十分缺乏。成形工件的微觀組織瞬態(tài)演變和宏觀力學(xué)性能都跟傳熱傳質(zhì)過程密切相關(guān)，亟需準(zhǔn)確系統(tǒng)的理論和模擬研究促進(jìn)該技術(shù)的發(fā)展，為WAAM成形制造提供精細(xì)化指導(dǎo)。國內(nèi)電弧增材制造仍處于起步階段，與先進(jìn)國家相比還

21、存在較大差距，而當(dāng)前WAAM基礎(chǔ)研究尚未在國際上廣泛開展，盡快開展WAAM基礎(chǔ)研究才能與先進(jìn)國家處于同一起跑階段，甚至是領(lǐng)跑階段，基礎(chǔ)研究是推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)不斷發(fā)展和優(yōu)化的核心動(dòng)力。參考文獻(xiàn)1國家自然科學(xué)基金委工程與材料科學(xué)部.機(jī)械工程學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略報(bào)告（2022-2022）M.北京：科學(xué)出版社，2022.2盧秉恒，李滌塵.增材制造（3D打印）技術(shù)發(fā)展J.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2022，42（4）：1-4.3CunninghamCR，F(xiàn)lynnJM，ShokraniA，etal.Invitedreviewarticle：Strategiesandprocessesforhighqualitywirear

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