國外電弧增材制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀及展望

3D打印技術(shù)以“今日設(shè)計，明日產(chǎn)品”的理念受到高校、研究院所以及航空航天等各個行業(yè)的廣泛關(guān)注。經(jīng)過近一個世紀的發(fā)展，它從依據(jù)粘接原理開發(fā)的疊層成形技術(shù)逐漸發(fā)展到以紫外光為熱源的光固化成形技術(shù)，再發(fā)展到現(xiàn)在以電弧、電子束、激光等高能束為熱源的快速熔化成形技術(shù)，實現(xiàn)了有機材料、無機非金屬材料、金屬材料產(chǎn)品的快速制造 。針對金屬材料，根據(jù)高 能束熱源分為電弧增材制造、激光增材制造、電子束增材制造等技術(shù)，原材料一般有金屬粉末和焊絲兩種形式。

熱源的差異導致增材制造技術(shù)在成形精度、沉積效率以及對復雜零件敏感程度等方面的差別。 電弧增材制造技術(shù)（WireArcAdditive Manufacture，WAAM）是一種利用逐層熔覆原理，采用熔化極惰性氣體保護焊接（MIG）、鎢極惰性氣體保護焊接（TIG）以及等離子體焊接電源（PA）等焊機產(chǎn)生的電弧為熱源，通過絲材的添加，在程序的控制下，根據(jù)三維數(shù)字模型由線-面-體逐漸成形出金屬零件的先進數(shù)字化制造技術(shù)。它不僅具有沉積效 率高；絲材利用率高；整體制造周期短、成本低；對零件尺寸限制少；易于修復零件等優(yōu)點，還具有原位復合制造以及成形大尺寸零件的能力。較傳統(tǒng)的鑄造、鍛造技術(shù)和其它增材制造技術(shù)具有一定先進性，與鑄造、鍛造工藝相比，它無需模具，整體制造周期短，柔性化程度高，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化、智能化和并行化制造，對設(shè)計的響應(yīng)快，特別適合于小批量、多品種產(chǎn)品的制造。

WAAM技術(shù)比鑄造技術(shù)制造材料的顯微組織及力學性能優(yōu)異；比鍛造技術(shù)產(chǎn)品節(jié)約原材料，尤其是貴重金屬材料。與以激光和電子束為熱源的增材制造技術(shù)相比，它具有沉積速率高、制造成本低等優(yōu)勢。與以激光為熱源的增材制造技術(shù)相比，它對金屬材質(zhì)不敏感，可以成形對激光反射率高的材質(zhì)，如鋁合金、銅合金等。與SLM技術(shù)和電子束增材制造技術(shù)相比，WAAM技術(shù)還具有制造零件尺寸不受設(shè)備成型缸和真空室尺寸限制的優(yōu)點。

電弧增材制造技術(shù)的發(fā)展歷程

早在1925年，美國的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出“3D打印”金屬材質(zhì)的裝飾物品[9]。20世紀70年代，德國學者首次提出了以金屬焊絲為原料，采用埋弧焊接的方式制造大尺寸金屬零件的概念[9]。Ujiie等人以SAW、TIG等為熱源采用不同種焊絲成形了外壁為梯度材料的壓力容器。1983年，德國Kussmaul等人采用埋弧焊接的方式逐層堆積，制造了大尺寸圓柱形厚壁不銹鋼金屬容器，總重量達到79t，沉積速度達到80kg/h，且成形材料具有較高的抗拉強度、屈服強度和韌性。20世紀90年代，英國推出了兩項重大研究，加速了WAAM技術(shù)的發(fā)展。一項是Ribeiro等人詳細描述了“基于金屬材料快速成形技術(shù)”的工藝過程；另一項是Spencer等人將GMAW的焊槍固定在六軸機器人上，再進行零件的快速制造。此外，Zhang等人也發(fā)表了相似的工作，并提供了制造立壁和回轉(zhuǎn)體零件的工藝方法。

1993年，Prinz和Weiss等人在CNC銑床上安裝焊接設(shè)備，稱之為成形沉積制造設(shè)備（SMD），并申請了相關(guān)專利。1994～1999年，英國克萊菲爾德大學（CranfieldUniversity）焊接工程研究中心（WeldingEngineeringResearchCentre）為英國飛機發(fā)動機公司——勞斯萊斯（Roll-Royce）——開發(fā)了成形沉積制造技術(shù)（SMD）以替代傳統(tǒng)的鑄造技術(shù)，同時對該技術(shù)成形的鈦合金、高溫合金、鋁合金等材料的性能進行了研究與評估。2007年，克萊菲爾德大學開展了WAAM技術(shù)的研究工作，并將該技術(shù)應(yīng)用于飛機機身結(jié)構(gòu)件的快速制造。

國外電弧增材制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀
近年來，眾多科研院所、高校以及企業(yè)對WAAM技術(shù)予以高度重視，對幾何形狀成形能力、材料的顯 微組織特征及力學性能展開了大量基礎(chǔ)研究。法國Ribeiro等人設(shè)計了機器人GMAW快速成形制造系統(tǒng)，對其幾何形狀的成形能力進行了研究，并成形了典型試驗件，如圖1所示。美國的Ouyang等人采用變極性TIG焊接系統(tǒng)快速成形5356鋁合金零件，分析了焊接參數(shù)與沉積層幾何尺寸的關(guān)系，并對預熱溫度、弧長控制等基礎(chǔ)工藝進行了研究。此外，德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所、美國南衛(wèi)理工會大學、英國克萊菲爾德大學等科研機構(gòu)也對電弧增材制造技術(shù)幾何形狀的成形能力及組織性能開展了相關(guān)研究。

幾何形狀成形能力研究
WAAM技術(shù)成形幾何形狀的能力比激光的低，這是由于電弧的成形位置由焊槍、焊絲及機器人的位置共同確定，激光的成形位置由振鏡控制，電弧的可達性及精度比激光低。英國的Kazanas等人開展了WAAM技術(shù)制造零件幾何形狀能力的基礎(chǔ)研究。他們將Fronius的TranspulseSynerigic5000型CMT焊機與ABB的MTB250六軸機器人配合，組建了WAAM系統(tǒng)平臺，并以直徑為1.2mm，牌號為ER706S-6的碳鋼焊絲和ER4043的鋁合金焊絲為原料，成形傾斜薄壁件及幾何封閉結(jié)構(gòu)薄壁件。

他們在保持焊槍與斜薄壁角度相同的狀態(tài)下，成形了角度分別為60°、45°、30°、15°的不銹鋼斜薄壁件，發(fā)現(xiàn)在最接近基板的第二、三層處出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象，且斜壁的角度越小，鼓包越嚴重。他們從理論上提出消除鼓包的方法，即第一層堆三道焊縫，第二層堆兩道焊縫，第三層堆一道焊縫，形成金字塔形，同時認為此種方法的實施需要較高的技巧。為提高電弧增材制造技術(shù)的幾何形狀成形能力，他們改變了傳統(tǒng)焊槍始終沿垂直方向的堆積方式，提出采用全位置焊接的方法成形產(chǎn)品，實現(xiàn)了從水平到垂直各角度薄壁件和封閉薄壁件的成形。圖2為傾斜角度為0°及封閉結(jié)構(gòu)的薄壁件。這表明，WAAM技術(shù)對幾何形狀尤其是角度不敏感，制造過程中不需要添加輔助支撐。這相比于需要添加輔助支撐的SLM等快速成形技術(shù)，具有一定的技術(shù)優(yōu)勢。

組織特征及力學性能研究
材料的顯微組織與其經(jīng)歷的熱過程密切相關(guān)。采用WAAM技術(shù)制造的材料經(jīng)歷多次復雜熱循環(huán)，與鑄造或鍛造材料的熱歷史相差甚大。這導致材料的顯微組織與鑄造或鍛造材料的相差較大。就WAAM技術(shù)制造鈦合金的顯微組織而言，它一般為外延生長的長柱形β晶，鑄造、鍛造材料較難形成此組織。Paul等人 對采用WAAM技術(shù)制造TC4材料的顯微組 織進行調(diào)控，他們擬采取通過添加外部電磁場或通過滾輪軋制加壓的方法獲得等軸晶組織。結(jié)果表明，外加電磁場對晶粒形狀的影響不大，施加外部壓力的方法可以獲得晶粒均勻的等軸晶。

材料的顯微組織對其力學性能影響較大，材料的不同組織對應(yīng)不同的力學性能。Wang等人開展了電弧增材制造鈦合金材料力學性能的研究，其研究結(jié)果表明：WAAM制造TC4沉積態(tài)的力學性能與鍛造材料相比，具有疲勞壽命較長，延伸率相當，屈服強度和斷裂強度略低，力學性能的方向性不明顯等特點。此外，Ding[11]和Wang[6]等人通過有限元分析法對電弧增材制造技術(shù)過程中產(chǎn)生的應(yīng)力及變形進行了模擬。雖然人們對WAAM技術(shù)開展了一些基礎(chǔ)研究，但是在顯微組織調(diào)控、殘余應(yīng)力及變形控制等方面仍需開展深入的研究。

電弧增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用
近年來，WAAM技術(shù)在國外發(fā)展相對成熟，許多大型航空航天企業(yè)及高校積極開發(fā)WAAM技術(shù)，制造了大型金屬結(jié)構(gòu)件。克萊菲爾德大學采用MIG電弧增材制造技術(shù)制造鈦合金大型框架構(gòu)件（如圖3所示），沉積速率達到數(shù)千克每小時，焊絲利用率高達90%以上，該產(chǎn)品的成形時間僅需1h，產(chǎn)品缺陷甚少。

歐洲空中客車（Airbus）、龐巴迪（Bombardier）、 英國宇航系統(tǒng)（BAEsystem）以及洛克希德•馬丁英國公司（LockheedMartin-UK）、歐洲導彈生產(chǎn)商（MBDA）和法國航天企業(yè)Astrium等，均利用WAAM技術(shù)實現(xiàn)了鈦合金以及高強鋼材料大型結(jié)構(gòu)件的直接制造，大大縮短了大型結(jié)構(gòu)件的研制周期。圖4為BAE公司制造的高強鋼炮彈殼體。

LockheedMartin以ER4043焊絲為原料，采用電弧增材的方法研制出 了大型錐形筒體，高約380mm；Bombardier采用電弧增材的技術(shù)在大型平板上直接制造了大型的飛機肋板，長約2.5m，寬約1.2m。就該技術(shù)目前發(fā)展狀態(tài)而言，WAAM技術(shù)的自動化水平較低且相關(guān)程序數(shù)據(jù)庫尚未建立，該技術(shù)只能制造幾何形狀及結(jié)構(gòu)較為簡單的零件。然而該技術(shù)制造的精度相對其它增材制造技術(shù)的略低，一般需要后續(xù)機械加工，尚未在航空航天領(lǐng)域大規(guī)模工程化應(yīng)用。

WAAM技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用將主要集中在原位制造和復合制造。原位制造又包涵原位生長和原位修復兩方面。原位生長是指采用電弧增材制造技術(shù)制造出所需零件。原位修復又有兩種情況，一種是對新加工零件缺陷的修補，另一種是對磨損后不易拆卸舊零件的修補。這有利于提高產(chǎn)品的成品率或延長已有零件的使用壽命。復合制造是在已有零件的基礎(chǔ)上直接成形出所需要的新零件，且新零件的材料可以
不同于已有零件的材料。對于異種金屬零件的復合制造，可以通過改變焊絲的種類形成梯度材料的方法來實現(xiàn)。 目前，雖然WAAM設(shè)備的自動化水平相對較低，相關(guān)數(shù)據(jù)庫短缺，難以實現(xiàn)大規(guī)模工程應(yīng)用；但是隨著人們的高度關(guān)注，WAAM技術(shù)在航空航天領(lǐng)域零件的快速研制及小批量生產(chǎn)方面將有十分廣闊的應(yīng)用前景。

編輯：南極熊
作者：田彩蘭 陳濟輪 董鵬 何京文 王耀江（首都航天機械公司）
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