三維焊接快速成型技術的研究現狀

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1 三維焊接快速成型技術研究現狀

弧焊快速成型技術，也稱成型焊接（shape welding），該技術的發展最早可以追溯到20世紀60年代。隨著技術的發展，弧焊快速成型技術的研究取得了突破性的成果，主要包含等離子弧焊（Plasma-Arc Welding,PAW）、熔化極氣體保護焊（Gas Metal Arc Welding,GMAW）、非熔化極氣體保護焊（Gas Tungsten Arc Welding,GTAW），特別是在此基礎上，發展出了結合熔化極氣體保護電弧與增材（Additive Manufacturing,AM）制造優勢的GMA-AM技術[1]。

快速成型技術最初在國外被實踐應用，例如，德國Shulzer與Krupp Thyssen兩家公司應用此技術生產形狀簡單的大型壓力容器；美國Babcack & Wilcox公司最開始應用等離子混合焊與熔化極氣體保護焊進行奧氏體不銹鋼大型零件的生產任務；美國Rools ROYCE航空集團應用這項技術制造了性能較高的合金零件、Ni基與Ti基的材料飛行器零部件。隨著快速成型技術的不斷發展，結合焊接工藝和快速成型基本原理，可以達到直接制造或原形制造產品零部件的目的，因此，三維焊接技術（3D Welding）迎來了快速發展時期。全功能三維柔性焊接工裝平臺如圖1所示。

圖1 全功能三維柔性焊接工裝平臺

現階段，快速成型技術的研究主要將發展重點聚焦于激光熔敷和激光燒結領域，未能在弧焊快速成型方面給予足夠投入。各大研究機構快速成型技術的研究方向及成果如表1所示。

表1 各大研究機構快速成型技術的研究方向及成果

英國諾丁漢大學相關研究團隊應用六軸焊接機器人與熔化極氣體保護焊接工藝相結合的方式，實現了零件三維焊接快速成型。隨著焊接領域技術發展速度的提升，三維焊接也引進了各種新型弧焊方法。我國裝甲兵工程學院相關研究團隊也開展了相關研究，研究重點方向主攻冷金屬過渡（Cold Metal Transfer,CMT）焊接基礎上的快速成型工藝。而且研究人員在冷金屬過渡焊接技術快速成型方法的基礎上進行了拓展研究，可以制造用于輪船的三葉螺旋槳。該團隊還應用脈動送絲方式，在熔化極氣體保護焊基礎上，進行快速成型的相關研究，極大程度上提升了焊縫表面質量。天津大學相關學者同樣進行了相同方向的研究，在成型路徑不同的前提下，研究了環狀件成型受到引弧與熄弧的不同影響[2]。

在研究弧焊快速成型材料與組織方面，國內國外專家團隊的主要研究方向為金屬材料，例如鋁基、鐵基和鈦基等不同類型的金屬，其中以金屬粉末材料為主要研究方向。對于三維焊接快速成型而言，應用絲材能夠令成型效率大幅度提升。國外學者基于此進行了關于5356鋁合金快速成型技術的相關研究，對鋁合金試件組織變化情況，以及性能前后差異進行深入分析。英國謝菲爾德大學相關研究團隊主要研究在TIG熱源環境下，鈦合金件直接成型的情況，并對處在不同位置的成型件力學與組織性能進行測試，開展針對性研究。除此之外，英國克蘭菲爾德大學相關研究團隊的主要研究方向為通過熔化極氣體保護焊方式，使Ti-6Al-4V快速成型。澳大利亞伍倫貢大學相關研究團隊的主要研究方向為采用TIG方式，使Ti-6Al-4V快速成型。我國哈爾濱工業大學相關研究團隊的主要研究方向為Inconel 625等離子弧合金弧快速成型組織控制，還在此基礎上進行了工藝的優化，例如制備單道多層薄壁墻、多層多道方塊體試樣[3]。

鑒于三維焊接熱源的熔融過程屬于多重加熱，在工件制造階段，不能均勻分布溫度場，參數較多、耦合較強，而且呈現非線性變化，過程較為復雜，此時熱過程會對熱應力和變形產生較大影響，最終對工件形變情況與殘余應力起到決定性作用。基于此，關于三維焊接快速成熱過程和應力應變等相關研究也是時下學術研究的大熱門。哈爾濱工業大學相關研究團隊利用有限元模擬的方式，分析熔化極氣體保護焊快速成型間隔冷卻與連續沉積情況下溫度場的分布特征，對沉積階段過渡重熔與熱量累積受到間隔冷卻時間的影響進行研究，判斷其影響規律。如果熱源為焊接電弧，在此基礎上，研究單層沉積制造階段形變情況和熱應力分布情況。該團隊還應用了有限元模擬的方式，對GMA-AM階段溫度場應力應變規律進行了研究，對不同情況堆積過程，例如單層多道、多層單道、多層多道的情況進行了深入研究，并對成型階段應力應變、溫度場情況受到堆積長度、堆積路徑、道間等待時間受到的影響進行了分析，以控制多層單道GMA-AM快速成型和熔敷尺寸[4]。

在控制成型零件精度的問題上，美國南衛理公會大學的研究團隊基于各種類型的焊接工藝，例如非熔化極氣體保護焊和熔化極氣體保護焊等，開發了相關快速成型技術，可以和數控技術高度結合，用于金屬零件的制造。韓國Institute of Science and Technology CAD/CAM 研究中心充分集合銑削技術和三維焊接技術，能夠在金屬零件的制造階段，使金屬零件直接成型。另外，由于焊接是一項高溫復雜的過程，會涉及多參數強耦合，因此我國南昌大學研究團隊基于快速成型數據處理技術提出了新型數據處理技術，包含前期造型和處理、中期分層與尺寸補償、后期軌跡填充與熔敷加工等環節。

2 現階段三維焊接快速成型技術面臨的困境

盡管三維焊接快速成型技術的發展情況較為理想，但是各方面存在的問題仍然不容忽視。具體包含以下問題：（1）材料問題。當前應用較為廣泛的材料主要包含粉末與絲材兩個方面，粉末材料以鐵基或鎳基等自溶劑合金粉末為主，絲材則通常應用不銹鋼焊絲與低碳鋼合金焊絲等材料。此類材料往往在開發層面都是基于金屬零件表面焊接進行的，和焊接熔敷快速成型方面的匹配程度不高。例如在快速成型多層熔覆技術環境下，合金粉末會導致熔覆層具備潛在開裂風險，容易出現形變和應力積累的問題，無法保證成型質量與精度達到要求。（2）成型組織與性能問題。三維焊接快速成型方法，其基本原理在于對焊接技術的靈活應用，同構逐層堆焊的手段，達到零件制造的目的，因此在制造階段，相較于普通焊接過程，無論是熱循環，還是組織轉變過程，都會更加復雜，在控制零件性能上也會平添更多難度[5]。（3）成型精度控制問題。采用逐層熔覆堆積手段會出現內應力與殘余應力產生和殘留的問題，使零件制造出現翹曲變形的問題。焊接應力如果處理不到位，很容易導致諸多工藝缺陷，如脆性斷裂、冷裂紋、熱裂紋等，如果變形累積到一定程度，還會對工件的幾何精度產生較大負面影響，甚至會直接中斷快速成型過程。

3 結束語

綜上所述，關于三維焊接快速成型技術的研究，國內外研究機構都有所建樹，當前該技術主要在制造成型工藝上，用于生產零件毛坯的情況較多，相信未來隨著科學技術的不斷發展，三維焊接快速成型技術將會呈現出更多元化的發展方向。