多絲電弧增材制造研究現狀

吳濤，武子琴，閆歡，毛亞寧，汪殿龍，2，梁志敏，2，王立偉，2＊

1.河北科技大學材料科學與工程學院 河北石家莊 050018

2.河北省材料近凈成形技術重點實驗室 河北石家莊 050018

1 序言

從1925年BAKER[1]等首次在電弧熱源的基礎上進行金屬“3D打印”開始，經過幾十年的發展，增材制造技術在制造業中得到了廣泛認可[2]。增材制造（Additive Manufacturing，AM）以數學模型為基礎在計算機的協助下，通過逐層成形，分層堆積的方式，直接制造出復雜的結構件，跳過了生產步驟，這就使得產品開發周期更短，并能滿足定制個性化產品需求[3-5]。金屬材料的增材制造是增材制造領域的重要一環，也是增材制造領域的重點研究內容。根據金屬增材制造所用材料的外形不同，可分為粉末材料、絲線材料和塊狀材料[6]。弧絲增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing，WAAM）屬于金屬“3D打印”技術，它的基礎單元是一段連續的“線”，以電弧為熱源將絲材熔敷成設定的形狀，在此基礎上經過修剪即可達到要求，通過合理的空間設計可高效準確地制造出需要的構件[7-9]。近年來，WAAM因其具有高沉積率、低設備成本、高材料利用率和環境友好性等優點而日益受到工業制造領域的關注[10]。

在全球工業4.0的背景下，越來越多的學者通過改進設備、新技術研發等手段改進或提高焊絲的熔敷效率提高產品制造效率[11]。一般來說，影響電弧增材制造成形效率的因素包括送絲量、送絲速度、熔敷速度、熔敷功率、路徑規劃、工裝設計等，使用多絲電弧增材技術便是提高效率的一種選擇。相比于單絲電弧增材系統（如TIG焊、MIG焊）使用單一焊絲增材，多絲電弧增材技術使用兩根及以上的焊絲并在必要時配以多個電源進行增材。由于多絲電弧增材技術可以采用異質焊絲的特點，這就為增材成分調控提供了基礎。

本文綜述了國內外學者為兼顧多絲電弧增材制造技術的高熔敷效率與低熱輸入和控制熔滴平穩過渡而做出的改進與發展，列舉了異質多絲合金化研究現狀，分析了其優缺點和存在的主要問題，并展望了未來多絲增材制造的發展趨勢。

2 多絲電弧增材制造技術的發展與改進

2.1 高熔敷率和低熱輸入的兼顧

為了尋求更高的熔敷效率，1955年美國Union Carbide & Carbon Corp公司研制出了Tandem焊接方法。Tandem焊接系統是集合了兩臺焊接電源，在焊絲側面安裝了一個與焊絲共同行走的銅電極，在增材時產生雙電弧，提高了熔敷效率[12]。1966年THOMAS等[13]在Tandem焊接的基礎上，將銅電極改進成了焊絲，使用兩臺送絲機產生雙電弧的焊接方法。在Tandem焊系統增材時，兩根焊絲的電流由兩個互相獨立控制的電源提供，兩焊絲相互絕緣，由電源波形控制交替過渡。圖1所示為Tandem焊增材系統。

圖1 Tandem焊增材系統

石俊彪等[14]采用 Tandem-GMAW 系統電弧增材制造試驗，選用直徑1.2mm的ER2319焊絲，選用6060鋁合金增材基板，探究了不同的基板厚度、預熱溫度和邊緣距離對網格壁板基層成形寬度的影響。這三個關鍵的溫度因素影響了Tandem-GMAW電弧增材制造單層的形貌，在邊緣一側產生熱量積累，致使溫度升高產生高溫區，降低局部的性能。

Time twin是與Tandem類似的一種雙絲焊接系統，是通過將兩根分別控制的焊絲集成在同一焊槍噴嘴上來實現更好焊接的過程。與Tandem的雙焊絲交替過渡不同的是，Time twin采用雙絲同時過渡，形成共同的熔池[15]，可以根據需要，前絲和后絲采用不同直徑不同類別的焊絲改善增材結構件的表面形貌。前絲選用粗焊絲，實現高的熔敷效率，后絲選用細焊絲進行修飾。鄒鵬遠等[16]采用福尼斯Time twin系列焊機，采用直徑1.2mm的MG70S-6 和QD266兩種焊絲經過參數摸索與優化，制備出了7層的試樣。圖2為福尼斯Time twin焊機焊槍。由于試樣底部受到熱積累作用，散熱具有方向性，導致晶粒生長具有方向性，顯微組織為粗大的樹枝晶及胞狀晶。

圖2 福尼斯Time twin焊槍 [16]

林方略[17]采用附加保護氣體的雙絲MIG焊進行增材制造研究，增材平臺如圖3所示，選用不銹鋼焊絲，通過調整MIG電源的電流波形、增材速度和氣體流量進行試驗，并比較各個參數下的成形組織和力學性能。在綜合比較后選用均值335A、基值電流差值60A的電流參數下完成了4組直壁墻試樣，如圖4所示。試樣整體表面粗造，有周期性的魚鱗紋存在。雖然采用335A大電流，提高了熔敷效率，但也導致熱輸入較大，顯微組織粗大。

圖3 雙絲MIG焊增材制造系統平臺[17]

圖4 雙絲MIG焊增材試樣 [17]

為了解決電弧增材時熔敷效率和熱輸入之間的矛盾關系，哈爾濱工業大學的耿正等[18]提出了一種高熔敷率、低熱輸入的Tri-Arc雙絲電弧系統。Tri-Arc是一種采用三臺焊接電源、兩根焊絲產生三電弧的焊接方法。如圖5所示，VPPS、PPS1、 PPS2分別是一可變極性電源和兩個直流脈沖電源，通過三臺電源之間進行相互協調，控制電源的極性和脈沖關系，可以建立三條電弧。三條電弧分別是焊絲E1與工件所產生的電弧A1、焊絲E2與工件所產生的電弧A2，以及焊絲E1和焊絲E2產生的電弧M。部分電流會從兩根焊絲之間流過，降低了熱輸入，M弧的存在也保證了熔敷率。

圖5 Tri-Arc增材系統示意[18]

張杰等[19]采用直徑1.6 mm的Fe-Cr-C-B系焊絲，對Tri-Arc雙絲電弧堆焊工藝進行了研究，探究了不同焊接參數對堆焊成形形貌和組織的影響，并用高速攝像對M弧形態進行觀察，如圖6所示。研究發現，Tri-Arc 雙絲三電弧Fe-Cr-C-B系焊絲堆焊時熔滴過渡穩定，堆焊組織均勻，有彌散分布的加強相，并具有出色的耐磨性。

圖6 高速攝像拍攝的M弧形態 [19]

Tandem、Time twin、雙絲MIG、Tri-Arc在提高熔敷率的同時必然會增加對母材的熱輸入，從而對增材制造結構件的力學性能和微觀組織存在不利的影響。為了解除傳統電弧在增材時傳熱、傳質和傳力方面固有的約束，近幾年又出現眾多新型的間接電弧焊接方法。與Tri-Arc所采用三臺電源，通過控制使部分電流從雙焊絲之間流過不同的是，間接電弧是直接在雙焊絲之間建立電弧，電流直接從兩個焊絲之間流過的一種焊接方法。通過調節工件與雙焊絲之間的距離來調節間接電弧的熱輸入，圖7為傳統電弧焊和雙絲間接電弧焊的對比。

哈爾濱工業大學的王軍等[20]改造了傳統的TIG焊，設計出了一套非熔化極（鎢極）-熔化極間接電弧焊系統并對其過渡特點進行了研究。當電流增大到一定程度并且熔化極焊絲的送絲速度也達到最佳時，熔滴便會穩定、快速過渡完成增材過程。但由于鎢電極對電流的承載能力不足，該系統仍然局限在有限的熔敷效率之中。在對焊接過程中傳熱、傳質及傳力可控的研究中，山東大學鄒增大、曹梅青和史傳偉等[21-25]提出了圖7b所示的直流雙絲間接電弧焊工藝，雖然熔敷效率提升了，但由于雙絲之間直接通電會產生較大的熱輸入，電磁力會影響熔滴過渡的形態，陰極與陽極產生的熔滴會相互排斥，從而產生并列的熔滴，將其用于增材制造中會產生過渡不穩、成形過程較差，以及增材試樣形貌不好的問題，距離該方法大規模應用到增材制造領域還有很大的差距。

圖7 傳統電弧焊和雙絲間接電弧焊

2.2 熔滴穩定過渡的調控

雖然間接電弧的出現平衡了電弧增材時傳熱、傳質的矛盾，但存在著熔滴過渡不穩的問題，為了尋求更穩定的過渡，許多學者通過添加磁場、添加等離子弧和添加激光輔助的方法對間接電弧進行改良。山東建筑大學謝岳良等[26]從外加磁場改變電弧形態及熔滴過渡行為角度出發，對加磁場的直流間接電弧的電弧行為和熔滴過渡進行了研究。在雙絲末端加入了可控的磁場，對熔滴施加磁場力。在磁場作用下，熔滴過渡更加平穩，電弧更緊湊，并且成形形貌更好。謝岳良的方案雖然能有效地控制熔滴過渡，但是熔滴帶給母材的熱輸入量不足。

北京工業大學張亮等[27]提出了交叉耦合電弧焊（見圖8），采用雙電源，建立兩個電弧即非熔化極（即鎢極）與基板之間建立電弧，在雙焊絲之間添加等離子弧進行調控，雙焊絲之間產生間接電弧，間接電弧與底部沒有電路。等離子弧和間接電弧參數可單獨調節，實現了工件熱輸入、金屬傳質和電弧力的解耦控制。

圖8 交叉耦合電弧增材系統示意[27]

北京工業大學王立偉[28]采用激光輔助交流雙絲間接電弧焊的方法進行改善過渡。由于陰陽兩極極性的差異，產熱條件不同，兩極的焊絲熔化速度不同。通過計算并匹配雙絲同步送進，使兩焊絲產生的熔滴交替過渡并經過相同的位置（激光焦點處）。圖9所示為激光輔助交流雙絲間接電弧增材系統，通過改變激光的脈沖，在激光的照射下，過渡的熔滴受到蒸汽反沖力的作用，促使熔滴沿激光照射的方向過渡。并且激光照射產生的功率也可以對增材基板加熱，調節熱輸入，改善成形質量。

圖9 激光輔助交流雙絲間接電弧增材系統示意[28]

上述工藝針對熔滴過渡不穩的情況，采用磁場、等離子弧和激光束對熔滴過渡進行調控，改善了熔滴過渡，穩定了電弧，但對等離子弧和激光準確度要求較高，整體設備復雜，成本較高，依舊不適合大規模應用。

3 異質多絲合金化研究現狀

隨著社會的發展，科技的進步，現代工業對零部件有了更高的要求，由于多絲增材技術采用兩根及以上的焊絲進行增材，因此為增材成分調控提供了可能。許多學者通過改進、設計各種增材機構，采用異質雙多絲焊絲進行增材制造。為了得到高性能的鋁合金增材組織，眾多學者對異質Ti-Al、Al-Cu、AL-Mg-Cu、Al-Mg-Cu-Zn合金以及高熵合金的增材制造進行了研究。

鈦鋁合金性能獨特，是航空航天行業的重要材料，但由于其室溫塑韌性低，無法拉拔為絲材進行增材制造。為了得到鈦鋁合金，劉齊等[29]采用雙絲WAAM，以直徑1.2mm的純鈦絲和純鋁絲成功增材出Ti-48Al試樣，圖10為堆積試樣。經過XRD分析，該試樣由較高含量的 γ-TiAl相和較低含量的 α2-Ti3Al 相組成。試樣的橫向抗拉強度為380MPa，縱向抗拉強度為275MPa，并具有不錯的抗氧化性能。

圖10 Ti-48Al堆積試樣整體及局部位置的光鏡組織照片[29]

劉焜[30]設計了一套雙絲CMT增材裝置，在原有CMT焊槍基礎上的加裝副焊槍，如圖11所示。主焊槍采用CuSi28L焊絲，副焊槍采用ER4043焊絲增材出了Al-Cu合金。用該方法所增材制造的試件，經XRD分析存在Cu、Cu9Al4、CuAl2和SiO2四種相，顯微硬度均值達到220HV。試樣的拉伸性能存在方向性，垂直方向的極限抗拉強度達到444.1MPa、伸長率11.6%，高于水平方向的極限抗拉強度287.4MPa和伸長率8.2%。

圖11 雙送絲結構單元[30]

北京航空航天大學祁澤武等[31]采用鎢極為熱源，進行雙絲填充增材（D-WAAM），雙送絲機同時送入ER2319(Al-6.3Cu)焊絲和ER5356(Al-5Mg)焊絲，獲得了三元Al-3.6Cu2.2Mg、Al-4Cu-1.8Mg、Al-4.4Cu-1.5Mg鋁合金直壁墻，微觀組織主要由α-Al和S相(Al2CuMg)組成，其硬度分別達到86HV、90HV和95HV。拉伸性能表現出各向同性，水平方向和垂直方向的極限抗拉強度相差不大，達到280MPa。其鎢極雙送絲結構單元如圖12所示。

圖12 鎢極雙送絲結構單元[31]

與鈦鋁合金類似，7系鋁合金由于強度高，無法制成絲材進行增材制造，YU Zhanliang[32]采用鎢極為熱源，在祁澤武基礎上進行三絲填充增材，如圖13所示，分別選用ER2319焊絲、ER5356和純Zn絲，制備出了7050 鋁合金構件。分析結果表明，電弧增材的7050合金主要由α-Al、S (Al2CuMg)、η(MgZn2)相和θ (CuAl2)相組成。各個元素的含量與標準7050鋁合金相同。增材合金上下部分顯微組織有明顯差異，上部為等軸晶結構，下部主要由柱狀晶組成。其力學性能優異，平均硬度為106HV，水平方向和垂直方向抗拉強度分別達241MPa和160MPa。斷口表現出典型的脆性斷裂特征，YU Zhanliang詳細解釋了其力學性能各向異性的原因。

圖13 鎢極三絲增材系統和試樣分析方法[32]

高熵合金是航空航天發動機中的關鍵材料，為了得到性能優異的增材制造結構件，石家莊鐵道大學的趙陽[32]將含有合金元素的金屬帶和金屬粉制成了兩根焊絲，以Tandem雙絲電弧焊進行增材制造出了Al-Cr-Fe-Co-Ni-Mo、Al-Cr-Fe-Co-Ni-Nb、Al-Cr-Fe-Co-Ni-Mo和Al-Ti-Cr-Fe-Co-Ni-Mo共4種高熵合金，并對其性能進行了分析。SHEN Qingkai[33]采用纜線多絲電弧增材（見圖14）的方法增材制造出了Al-Co-Cr-Fe-Ni高熵合金。由7根0.6mm的絲材制成的直徑1.8mm焊絲用CMT焊機進行增材。由于CMT快速冷卻的特點，所增材出的高熵合金表現出高的強度和延展性，其中壓縮強度達到約2.8GPa，塑性應變達到42%。

圖14 纜線多絲電弧增材制備高熵合金[33]

4 總結和展望

為了提高多絲電弧增材制造的熔敷率、降低熱輸入，眾多學者對傳統多絲電弧增材制造方法進行了改進，通過變換絲材與母材之間、多絲之間所構成的電流回路，從根本上剝離傳統電弧傳質與傳熱固有的依存關系。雙絲或多絲間接電弧增材應運而生，其具有更高的熔敷率和更低的熱輸入，但雙絲或多絲間接電弧增材仍舊存在成形不穩，過渡不好，成形形貌較差的問題，采用激光和等離子對熔滴進行調控，雖然改善了過渡情況，但由于設備復雜，無法大面積應用，所以這一問題的解決方法還有待研究。因此，如何控制在現有設備基礎上通過熔滴的平穩過渡來獲得高質量成形是亟待解決的問題。眾多學者采用異質多絲電弧增材技術成功增材出了性能優異的合金化金屬構件，解決了部分合金無法做成絲材進行增材制造的難題，為一些多元合金的增材提供了新的思路。