鋁合金電弧增材制造技術研究發展現狀

營夢，郭純，李云，康泰宇

安徽科技學院機械工程學院 安徽鳳陽 233100

1 序言

電弧增材制造（WAAM）類似于3D打印技術，通過應用電弧產生的熱量來提供工作時的熱源，將金屬絲材熔化，并按預先設定的路徑將熔融金屬絲材一層一層地堆積在基板上，冷卻成形為最終設計的零件[1]，因此幾乎可以滿足任意復雜零件的制造，且致密度高、冶金結合性能好、化學成分均勻、力學性能好。

該技術成形材料主要集中在鈦合金、不銹鋼、鋁合金等。鋁合金是在生鋁之中添加碳元素以及其他合金化元素而形成的一種合金，因其具有良好的可塑性，以及塑造性較強，適合電弧增材制造技術，故可作結構成形材料使用[2-6]，隨著航天航空等重要技術領域的進一步革新和發展，這對復雜鋁合金構件的制造技術提出了新的要求，因此鋁合金的增材制造技術成為了研究的重點。圖1所示為利用WAAM技術制作的鋁合金水泵轉子。

圖1 利用WAAM技術制作的鋁合金水泵轉子

2 電弧增材制造技術概述

2.1 電弧增材制造技術定義

增材制造技術在加工時，所成形狀是以數字模型為基礎，以導程線路為加工工序進行加工，使材料層層堆積，形成規定形狀，從而制造出所需的零部件，電弧增材制造熱源是電弧，并以Ar等惰性氣體保護，通過不斷熔化的焊絲沿著計劃路徑逐層沉積，最終得到相似的形狀[7-11]。一般可將電弧制造技術分為兩種：一種是非熔化極氣體保護焊增材制造，如鎢極惰性氣體保護焊，以鎢針作為電弧載體，其熱源和送絲相互獨立，電弧穩定，飛濺小。另一種是熔化極氣體保護焊增材制造，其原料是絲材，與GTAW相比，具有熱量集中、工作效率高、沉積快、堆焊結構好，以及熱輸入小等優點[12-19]。Fronius針對熔化極氣體保護焊的焊接飛濺與電弧不穩定的缺點，研發了冷金屬過渡（CMT）技術，其具有熱輸入小、無飛濺、電弧穩定的特點，在材料制造中具有獨特的優勢，因此目前GMAW技術又分為普通熔化極氣體保護焊和CMT技術。

2.2 電弧增材制造技術特點

電弧增材制造（見圖2）與其他正常制造技術的重要區別在于通常由常見的焊接電源作為電弧熱源，如熔化極氣體保護焊、鎢極氬弧焊等焊接設備。其與激光、電子束熱源相比，成本低，適應性強[20-24]。

圖2 WAAM工作原理

電弧增材制造具有如下特點：

1）智能化制造：在無需模具、工裝夾具和刀具的情況下，可實現智能化制造成形。

2）周期短：通常只需幾十分鐘到數個小時，制造周期短，特別適合單件或小批量生產。

3）柔性和適應性強：傳統減材制造復雜零件需5軸以上數控機床，不僅成本高，而且受刀具、零件體積及形狀限制，甚至部分復雜結構依舊難以加工。

4）材料利用率高：零件是通過逐層堆積進行增材制造，而不是傳統形式的減材制造，成形的零件只需簡單的加工或者表面處理就可使用。

2.3 電弧增材制造技術應用

電弧增材制造相對于其他制造技術來說，其特點如下：制造周期短；自動化程度高；原材料利用率高，對零件尺寸的限制少。

電弧增材技術雖沒有普遍使用，但是在少量重要領域，電弧增材技術應用確實很多，如：全焊縫金屬成分高，密度高，力學性能好，已用于生物醫學、航空航天等領域，并且有望在更多領域得到廣泛使用[25-29]。

英國學者在焊接工程研究中心做了大量研究，利用堆焊技術將金屬形狀沉積技術應用于飛機機身快速制造上，這使得許多航天企業都使用WAAM技術，并使直接成形大型結構件越來越方便，縮短了大型結構件的研制周期[30]。

針對航空航天領域的鋁合金軸承、機艙截面、框架梁及格柵等典型結構零件，首都航天機械有限公司、北京航興機械制造有限公司、華中科技大學等都進行了研究，并進行了應用試生產，如管道支撐件（2219合金）、殼體模擬零件（4043合金）、框架梁結構（5B06合金）及網格結構（4043合金）等[31-35]。

3 鋁合金電弧增材制造技術研究發展現狀

利用離散型堆積原理，增材制造將零部件進行加工，根據加工路線進行層層堆積成形，從而將零件的三維模型進行成形，然后再進行材料逐層填充成為一種快速成形技術。該技術可制造出致密度高、結合性能好、幾何形狀精確、表面光滑的試件，能夠滿足鋁合金零件呈現出的結構輕量化、性能復合化等優勢[36-41]。

3.1 國外研究現狀

20世紀初，增材制造這個概念是來自美國的一工程師提出的，他通過堆焊的方法來進行金屬工件堆積成形制造的技術[14]，但之后該技術由于各種原因并未得到推廣與應用，這是科技的一次滯后性或者停止性發展。

（1）基于GMAW的鋁合金電弧增材制造技術研究現狀 早在1980左右，國外學者便開始對GMAW快速成形技術進行了大量研究。研究基礎是熔化極氣體保護焊接，具有許多相比于其他技術的優點，比如快速成形技術所需機械結構簡單、生產效率高等優點，但也有其他有待提升的方面。例如，同時也具有熱輸入量大、需耐高溫加工機械，以及成形精度低等缺點。

ORTEGA A G等[42]通過采用基于霍爾效應的電流傳感器來記錄增材過程中的所有電流和電壓波形，以更好地掌握其幾何形狀，從而提高工藝參數。進而更好地提升CMT增材制造成形件的尺寸精度；還使用優化的參數進行了100層堆疊的鋁合金CMT增材制造試驗，從而獲得具有由標準偏差估算的寬度精度的100層鋁合金CMT薄壁零件，由于添加多層薄壁時的熱量累積，需要逐漸提高焊接速率以維持恒定的層寬。

近年來，針對GMAW，以及電弧增材制造的成形零件結構和性能的研究工作僅處于結構分析、描述相關性能規律的階段，缺少大量的試驗數據來獲取通用規律并進行更深一層的理論和機理分析。因此，如何加深機理分析以及高效提高鋁合金GMAW零件的力學性能，將成為接下來研究工作的重點之一。

2008年，韓國KANGA B Y等[43]采用在熔池區域供給更換變動保護氣體的方法，解決了鉛焊接及增材制造時產生的氫氣孔問題。結果表明，當純Ar與33%Ar+67%He混合氣體分別作比較時，在Ar氣和He氣交替保護作用下，氣孔率顯然更低，如圖3所示。因此，利用此方法可以很大程度地減少鋁合金焊接及增材制造過程中氫氣孔產生趨勢，但是該方法對裝置要求較高，且氣體成本也較高。

圖3 不同保護氣類型下的氣孔數量[43]

與傳統的氣體供應方法相比，該技術通過在相同的焊接條件下交替供應Ar和He來提供最低的焊接孔隙率；在相同的焊接條件下，與常規方法提供Ar和Ar+67%He的焊接相比，Ar和He交替供給進行的焊接產生了最深和最寬的焊接熔深曲線；與Ar+67%He相比，Ar和He的交替供給具有減少焊接孔隙率和改善焊接形狀的優勢。

當然，上述研究并不是孤立存在的，通過開發測試平臺和系統來進一步研究工藝與性能之間的關系，以便在過程優化中獲得更直觀的結論。

（2）基于GTAW鋁合金電弧增材制造技術研究現狀 基于GMAW增材制造研究的同時，國外許多研究者也將研究方向轉至基于GTAW的電弧增材制造技術，因其熱輸入較GMAW小，成形精度會更高。

美國Southern Methodist大學OUYANG等[44]采用GTAW工藝堆焊5356鋁合金構件進行研究，結果表明，影響零件尺寸精度和表面質量的主要因素有電弧長度、基板預熱溫度和層間溫度，圖4所示為快速成形件。挪威科技大學相關研究人員利用電弧增材制造技術制備5183鋁合金薄壁結構，結果表明，成形樣件微觀組織和力學性能良好，但是需要進一步優化工藝參數，以減少氣孔和熱裂紋產生。

圖4 快速成形的零件[44]

CHO等[45]利用GTAW系統探究了鋁合金變極性熱輸入的影響，成果顯示，鎢極尖端磨損對脈沖電弧的穩定性有一定的干擾。

綜上所述可以看出，近兩年的研究主要還是通過不同的工藝試驗對工藝方法進行優化，探究工藝過程對組織性能的影響因素。

3.2 國內研究現狀

（1）基于GMAW的鋁合金電弧增材制造技術研究現狀 南京理工學者何磊[46]以鋁合金雙脈沖GMAW為研究著手點，進行雙脈沖增材制造工藝試驗，當加以低頻脈沖時，電弧的特性對增材試樣有諸多影響，研究結果表明，雙脈沖GMAW增材制造技術可明顯減少試樣中的氣孔數量，試樣的顯微組織主要為等軸晶，晶粒尺寸隨著低頻頻率的增加先減小后增大，頻率為1Hz時晶粒尺寸最小，當電弧特性從-10%變化到+10%時，在-3%和+3%時增材試樣的力學性能達到最大值。圖5所示為不同低頻頻率下多層單道直壁體外觀形貌。

圖5 多層單道直壁體外觀形貌[46]

該項研究中雙脈沖電弧增材制造與傳統的增材制造方法相比，制造過程中可以更有效地去除鋁合金中的氣孔。另外，當低頻頻率為3Hz時幾乎無明顯氣孔，而直流脈沖堆敷的直壁體截面在底部和頂部有些許氫氣孔存在，為類似研究提供了良好的參考。

劉一博等[47]采用CMT技術研究了關于縱向磁場在鋁/鋼增材制造過程中的相關機理，試驗表明，通過附加磁場可以變更電弧等離子體的運動行徑，從而影響了電弧在基板表面和熔池內部的熱能傳輸。結果表明，CMT解決了GMAW飛濺和電弧不穩定的問題，但是由于其有限的焊滴轉移形式，CMT技術不適用于需要重疊附加沉積層的工作條件，這限制了其在厚壁領域的使用。

國內對GMAW成形工藝和表面質量的研究主要涉及成形工件的工藝優化，包括電弧特性和外部磁場的使用。從優化工藝參數方面來說，當前主要利用試驗方法，面對各種不同的材料和焊接方法，選取重要的影響因素。

（2）基于GTAW的鋁合金電弧增材制造技術研究現狀 伴隨著工業現代化的進程，越來越多的國內企業、高校相繼以材料成形工藝與控制開展了對電弧增材制造技術的研究。

通過實時監控，反饋和對堆積狀態的在線控制，可以實現精確控制電弧增材制造的過程。從目前的文獻資料來看，因為視覺傳感不用直接接觸，信息內容豐富，所以其以靈敏度和清晰度較高，以及模仿人類視覺行為的優點而成為最有前途的感測方法之一。上海交通大學的侯震[48]以鋁合金在脈沖GTAW焊接過程中電弧聲信號的熔透特性為研究起點，進行大量試驗研究，通過推算與演練，分析出通透性識別系統模型對工件加工時的焊接有著很大影響，這套時域-頻域特征的提取與識別系統，并創建了神經網絡預測模型，在此基礎上創建了聲波信號和熔透狀態相關性模型，并研發了相關的軟件系統，焊件的焊縫成形質量得到了顯著的提升。與主動視覺傳感對比，被動視覺傳感不需要增加額外光源，直接利用弧光照明檢測區域。WANG等[49]采用鎢極氬弧熱源增材制造研究了5356鋁合金零件，利用CCD被動視覺傳感對電弧弧長進行監測，避免多重堆積下鎢極尖端到堆積層上表面間隔發生變化。

隨著傳感技術、圖像處理技術和機器視覺識別技術的不斷發展，視覺傳感在焊接裝配檢測、過程監控及接頭質量評價等方面發揮了越來越重要的作用。

哈爾濱工業大學的學者[50]也對此做出大量研究，當研究材料為鋁合金時，試驗表明，4043鋁合金零件內部存在大量垂直于焊縫方向的柱狀晶，同時還存在枝晶和層間偏析現象，試樣拉伸性能不存在各向異性現象。同時對2319鋁合金增材（見圖6）試驗建立了焊縫層寬尺寸與工藝之間預測模型，該模型預測尺寸精度較高，誤差大多在5%以內。

圖6 2319鋁合金成形件[51]

綜上所述，影響鋁合金電弧增材制造過程因素很多，僅通過建立工藝參數和成形尺寸的模型精確控制成形尺寸比較困難。為了提高成形工藝的穩定性，提高成形尺寸的精度，有必要開發合適的傳感技術來實時監測堆積寬度和高度，并通過設計智能控制器實現堆積工藝參數的自動調節。

4 存在的問題及發展趨勢

伴隨著航空航天產業發展，鋁合金結構件的發展方向也已經朝著高精度尺寸和復雜形狀發展，這使得對鋁合金部件的制造技術有了更高的要求，故在技術上需要采用更高的制造技術，以取代目前該技術上的關鍵性問題，以確保研發出來的部件結構性更加可靠。

目前，電弧增材制造技術存在的問題：

1）熱輸入量大，對耐熱性材料要求過高。

2）復雜的熱循環導致殘余的內應力過大，造成增材制造過程中熔池不穩定。

3）電弧不穩定，導致成形零件精度偏低，故需進行后續精加工。

因此，鋁合金電弧增材制造技術需開展研究主要有：①對成形過程進行計算機仿真。②建立殘余內應力預測模型。③進行工藝優化，增強工藝技術。

縱觀國內外，目前對鋁合金電弧增材制造技術的研究還處于初步研究階段，仍然需要進行大量研究與試驗推算，從而來進一步發展。當然，現階段也取得了一定的成果，比如現如今，國外研究人員利用電弧增材制造技術成功研制出大型的金屬結構零部件。然而，如何實現鋁合金電弧增材制造技術加工時的有效、準確地控制，仍然處在待研發階段，相信不久的未來，這一難題將會被突破，電弧增材技術將更加有效地加工出較精細的工件。