電弧增材制造成形控制技術的研究現狀與展望

熊 俊，薛永剛，陳 輝，張衛華

（1.西南交通大學，四川 成都 610031；2.南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島，266111）

電弧增材制造成形控制技術的研究現狀與展望

熊 俊1，薛永剛2，陳 輝1，張衛華1

（1.西南交通大學，四川 成都 610031；2.南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島，266111）

電弧增材制造是低成本金屬零件直接成形的重要研究方向之一。金屬零件形貌的成形精度是評判成形質量的一個重要指標。從成形工藝特性、尺寸數學建模、過程控制等角度闡述了電弧增材制造成形控制技術的國內外研究現狀；重點總結了基于視覺傳感的電弧增材制造閉環控制技術的研究現狀；分析了電弧增材制造成形控制技術研究存在的關鍵問題；提出了未來電弧增材制造成形控制技術的研究內容和發展方向。

電弧增材制造；成形控制；成形工藝；閉環控制

0 前言

近年來，在資源節約及高效制造的背景下，基于“加法”加工模式的增材制造技術在復雜形狀薄壁件的制造上呈現出廣闊的應用前景[1]。當前，金屬零件增材制造技術從基礎研究到應用開發都引起了世界各國學者的極大興趣和廣泛關注[2-4]。與此同時，我國也制定了增材制造技術發展推進計劃，將其列入國家重大專項并重點支持，同時開展高密度的展會和研討會。隨著航空航天、國防軍工、軌道交通等關鍵技術領域對致密金屬零件的性能、精度、制造成本和周期的要求日趨苛刻，亟需開展相關研究以突破并掌握金屬零件直接成形技術。

在增材制造領域，以電弧作為熱源的金屬零件增材制造技術具有設備簡單、材料利用率高、生產效率高等優點[5]。電弧增材制造技術采用電弧作為熱源將金屬絲材熔化，按設定成形路徑在基板上堆積層片，層層堆敷直至金屬零件成形。成形零件由全焊縫金屬組成，致密度高、冶金結合性能好、化學成分均勻、力學性能好。因此，電弧增材技術是低成本金屬零件直接制造的重要研究方向。但是，電弧增材制造過程是以高溫液態金屬熔滴過渡的方式進行的。隨堆積層數的增加，堆積零件熱積累嚴重、散熱條件差、熔池過熱、難于凝固、堆積層形狀難于控制。特別在零件邊緣堆積時，由于液態熔池的存在，使得零件的邊緣形態與成形尺寸的控制變得更加困難。這些問題都直接影響零件的冶金結合強度、堆積尺寸精度和表面質量。由此可見，成形形貌的控制是金屬零件增材制造技術的主要瓶頸。

本研究從成形工藝特性、尺寸數學建模、過程閉環控制等角度闡述了電弧增材制造成形控制技術的國內外研究現狀。分析電弧增材制造成形控制技術研究中存在的主要問題。對未來電弧增材制造成形控制技術的發展方向提出了建議。

1 成形控制研究現狀

1.1 成形工藝

電弧絲材直接成形金屬件的思想可追溯到1983年，德國Kussmaul等人[6]采用埋弧焊方法堆積了大型圓柱厚壁容器，具有良好的抗拉強度、屈服強度和韌性，然而該方法只適合大型零部件的制造，而且成形精度極低。電弧增材制造發展的一個重要階段是在1998年，英國諾丁漢大學Spencer等人[7]提出GMAW三維焊接成形方法，采用焊接機器人成形金屬零件，成形件如圖1所示。通過紅外測溫裝置對成形熱輸入進行控制，降低成形件表面粗糙度。若溫度過高，則停止堆積，待降至一定溫度再繼續堆積。值得注意的是，該方法雖然提高了成形精度，卻大大降低了成形效率。Ribeiro等人[8]設計了一套機器人GMAW快速成形制造系統，該系統制造的成形件如圖2所示。

圖1 機器人GMAW三維焊接成形試件[7]

美國肯塔基大學Zhang[9]等人研究了GMAW增材制造技術，系統分析熔滴過渡形式對零件成形尺寸和熱輸入的影響，提出成形過程起、熄弧端及熔滴過渡方式控制策略，以期獲得優良的成形效果，但由于堆積工藝參數選擇不當，堆積的典型零件成形精度較低，如圖3所示。

圖2 機器人GMAW增材制造系統成形件[8]

圖3 基于GMAW的增材制造零件[9]

美國南衛理公會大學先進制造研究中心Kovacevic教授領導的研究團隊開發了基于焊接工藝（GTAW、GMAW、PAW）的金屬零件直接成形技術。Ouyang等人[10]采用變極性GTAW工藝堆積了5356鋁合金零件，如圖4所示。研究認為，成形的關鍵點在于基板的預熱、焊接弧長的監控及焊接熱輸入的精確控制，在此采取的控制措施是在前40層堆積時，每堆積一層，電流減小1A。同時，分析了堆積工藝參數與熔敷層幾何尺寸的關系。

圖4 變極性GTAW增材制造的零件[10]

近年來，也有研究學者[11-13]提出了將GMAW成形與銑削技術相結合，堆積一層后，將工件表面銑削固定深度，從而實現成形質量高精度控制。但是銑削加工僅是保證金屬零件成形精度的輔助手段。考慮到成形過程的穩定性，單純將銑削加工集成到GMAW增材制造系統還遠遠不夠，其控制過程比較被動，且以犧牲成形效率為代價來提高成形質量，得不償失。

在傾斜件成形研究方面，裝甲兵工程學院柳建等人[14]采用逐層橫向偏移焊槍的方式成形傾斜面，揭示了工藝參數對堆焊成形極限傾斜角的影響規律，結果表明極限傾角主要由電流決定并與成形焊縫形狀有關，極限傾角為50°。當前，最具有代表性的研究機構是英國克蘭菲爾德大學焊接與激光研究中心，Kazanas等人[15]采用機器人CMT方法制造傾斜結構薄壁件，創造性地提出焊槍傾斜方式，實現了任意傾角零件的成形，重點探究了送絲速度與堆積速度對成形傾角的影響，成形零件如圖5所示。

圖5 基于CMT成形的傾斜結構零件[15]

綜上可知，以電弧為熱源的增材制造技術存在成形精度低的缺點。尤其是成形金屬件的傾斜面成形能力低。因此，如何提高成形質量以及增強傾斜面成形能力成為電弧增材制造技術亟需解決的主要瓶頸。

2.2 成形數學建模

零件成形結構可分為多層單道和多層多道結構。目前，對于多層單道的研究主要集中在成形尺寸的預測上。而多層多道結構的研究則體現在相鄰熔敷焊道的搭接間距上，通過單層單道形貌建模，確定搭接間距，從而優化表面平整度。

英國克蘭菲爾德大學Martina等人[16]建立了一套等離子弧填絲增材制造系統，以堆積電流、送絲速度、堆積速度作為輸入變量，多層單道整體層寬、有效層寬、層高為輸出變量，采用傳統二次回歸方程獲得了輸入與輸出變量之間的關系模型。研究認為，由于基板的熱作用，多層單道前四層成形尺寸并不穩定。南昌大學徐健寧在TIG增材制造成形工藝中，采用回歸方程建立了堆積速度、堆積電流、送絲速度和堆積層層寬和層高的回歸模型[17]。

文獻[18-19]建立了一套GMAW增材制造系統，采用神經網絡和二次回歸方程等建模方法獲得了送絲速度、堆積速度、電弧電壓與堆積層寬和堆積層高的模型。開發了一種基于神經網絡的閉環控制算法，實現由給定的熔敷層尺寸預測堆積工藝參數的功能。

在多層多道結構成形建模方面，需要研究的關鍵問題是單層單道截面形貌及相鄰熔敷焊道的搭接間距。

許多研究者[7，20-21]認為單層單道截面形貌呈圓弧狀或拋物線狀，但并未經過實驗驗證。文獻[22]采用高斯函數、正玄函數和拋物線擬合了單層單道截面邊界線，將擬合曲線計算的面積與單層單道截面面積進行比較，結果表明正玄函數擬合精度最高。但在該研究中，僅僅考慮了一種堆積工藝參數的組合。

文獻[23]分別采用圓弧、拋物線和余玄函數擬合了單層單道截面形貌，研究了不同堆積速度和送絲速度匹配下的截面面積與各擬合函數計算面積的差值。結果表明，截面形貌與送絲速度和堆積速度的比值有關，當上述比值大于12.5時，宜采用圓弧擬合單層單道截面，反之，應該使用拋物線擬合。在確定單層單道截面形貌模型函數的基礎上，計算了多層多道理想搭接間距。圖6為送絲速度與堆積速度比值為10.26時，不同模型計算的最優間距搭接實驗結果。

2.3 實時檢測與閉環控制

為了實現電弧增材制造過程的精確控制，必須進行堆積狀態的實時檢測、反饋與在線控制。從目前文獻上看，視覺傳感以其非接觸、信息豐富、靈敏度和精度高、模仿人類視覺行為的優點而成為最有前途的傳感方式之一。

羅勇[24]等人采用激光視覺傳感系統檢測了多層單道堆積高度，開發了堆積高度圖像特征提取算法，但是檢測過程未考慮電弧的干擾。主動視覺傳感最具代表性研究的是美國塔夫斯大學研究人員[25-26]設計的一套雙激光視覺傳感系統，固定在焊槍前方的傳感系統用于GMAW增材制造堆積路徑跟蹤，焊槍后方的可檢測已凝固金屬的堆積形貌，獲得的條紋圖像如圖7a所示。需要注意的是：激光視覺傳感器檢測的是已凝固區域，激光條紋距離焊絲端部25.4 mm，因此檢測過程存在極大的滯后特性。以堆積寬度、堆積高度為被控變量，送絲速度和堆積速度為控制變量，建立Smith預估動態模型進行在線補償，控制效果如圖7b所示。由于采用的是激光視覺傳感，檢測滯后性大，且在基板上完成動態建模試驗，根據獲得的動態數據建立Smith預估模型，即使補償了檢測滯后的影響，成形尺寸控制精度也有限。

圖6 不同模型計算的最優間距搭接實驗[23]

與主動視覺傳感相比，被動視覺傳感無需外加輔助光源，直接利用弧光照明檢測區域。Wang等[10]采用鎢極氬弧熱源成形了5356鋁合金零件，利用CCD被動視覺傳感對電弧弧長進行監控，避免多重堆積下鎢極尖端到堆積層上表面距離發生變化，如圖8所示。

Xiong等[27-29]設計了一套雙被動視覺傳感系統，焊槍后方的CCD監測堆積層液態熔池尾部的寬度特征，正對焊槍的CCD監測噴嘴到堆積層上表面的距離。雙視覺傳感系統采集的圖像如圖9所示。同時開發了提取熔池寬度、堆積層上表面特征的圖像處理算法。該系統直接監測熔池寬度和噴嘴高度，與文獻[25-26]比較，極大地減小了檢測的滯后。以堆積層寬度或堆積高度為被控變量，堆積速度為控制變量，設計了單神經元自學習控制器與自適應控制器，研究了GMAW增材制造過程單變量控制，寬度控制實驗結果表明，控制精度優于0.4 mm。雖然成形穩定性及尺寸成形精度得到了顯著提高，但未進一步深入探究堆積層形貌的雙變量控制。

圖7 GMAW增材制造過程檢測與閉環控制[25-26]

3 結論與展望

電弧增材制造在低成本金屬零件直接制造領域前景廣闊。雖然目前在成形控制的研究上已經取得較大進展，但仍存在成形過程穩定性差、控形柔性差、成形精度低、評價指標體系不完善等不足。現有研究多集中在成形工藝實驗上，且研究還不夠深入，今后尚需在以下幾個方面進行探索。

（1）傾斜結構成形特性研究。如何提高傾斜面成形能力，并制造具有實際應用價值的復雜結構金屬件是今后的研究重點。傾斜結構特征金屬件的成形最易出現熔池“坍塌”現象，因此提高成形熔池的穩定性至關重要。

（2）成形過程控形數值仿真研究。電弧增材制造是單熱源多次作用過程，復雜的熱過程直接決定了成形件的殘余應力分布狀態及變形。后續工作應集中在如何減小成形件殘余應力及變形問題上，加強成形過程數值仿真研究，考察堆積熱輸入及堆積路徑的影響。另一方面，應深入探究多重堆積過程的熔池流動行為，明確熔池流動的熱、力物理機制，從物理本質上加深對成形過程的理解。

圖8 TIG增材制造弧長監控[10]

圖9 雙被動視覺監測系統采集的熔池圖像[27]

（3）實時監測與閉環控制。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、散熱條件等都處于動態變化之中。單純建立工藝參數與成形尺寸的模型難以精確控制成形尺寸。為增強成形過程的穩定性和提高成形尺寸精度，必須開發合適的傳感方法進行堆積寬度和高度的實時監測，并設計智能控制器實現堆積工藝參數的自動調節。

（4）成形金屬件的后續精加工。

電弧增材制造技術成形的金屬件存在明顯的“臺階”效應，零件必須進行后續精加工。但如何對具有復雜結構的金屬件進行后續機加工，是研究者們面臨的一大難題。

電弧增材制造技術是一新的研究領域，研究體系尚不完善，但通過現代技術改造升級這一工藝，在實驗、數值仿真和基礎理論等方面加大研究力度，促使其從“定性”走向“定量”，從“經驗”走向“科學”，從“開環”走向“閉環”。隨著研究的進一步深入，電弧增材制造技術在大型復雜金屬零件直接制造領域的廣泛應用必將實現。

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Status and development prospects of forming control technology in arc-based additive manufacturing

XIONG Jun1，XUE Yonggang2，CHEN Hui1，ZHANG Weihua1
（1.Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；2.CSR Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China）

Arc-based additive manufacturing technology is one of the most significant research directions in low cost metal parts direct fabrication.Forming accuracy of the metal parts appearance is an important index for evaluating the forming quality.Domestic and overseas research status of formation control in arc-based additive manufacturing are elaborated from the aspects of forming technology characteristics，geometry modeling and process control.Research status of closed-loop control technology based on visionsensing in arc-based additive manufacturing is emphatically summarized.The Key problems of forming control in arc-based additive manufacturing are analyzed，and future research contents as well as directions of this technology are also proposed.

arc-based additive manufacturing；forming control；forming technology；closed-loop control

TG444

：A

1001-2303（2015）09-0045-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.10

2015-04-07；

2015-04-22

四川省科技支撐計劃項目（2015GZ0305）

熊 俊（1986—），男，副研究員，博士，主要從事電弧增材制造及焊接過程傳感與控制方面的研究工作。