低熱輸入高效成形電弧增材制造研究進展及展望

張含嫣， 熊 俊， 陳 勇， 陳 輝

1.西南交通大學，四川 成都 610031

2.成都飛機工業（集團）有限責任公司，四川 成都 610092

0 前言

現代化高端裝備制造業是為我國基礎工業提供技術裝備的重要產業，其非常依賴以鑄錠冶金、塑性成形、機械加工為主的傳統制造技術，制造流程復雜、材料利用率低、周期長、成本高，由此激發了對綠色、低成本、短周期、高效率金屬增材制造技術的迫切需求［1］。世界工業強國紛紛將增材制造作為未來產業發展新的增長點，制定了發展增材制造的國家戰略和具體推動措施，力爭搶占未來科技和產業制高點。《中國制造2025》重點領域技術路線圖明確提出要重點發展增材制造工藝與裝備［2］，推進增材制造技術的快速健康發展已迫在眉睫。

電弧熔絲增材制造（Wire and Arc Additive Manufacturing，WAAM）是以電弧等離子體為熱源熔化金屬絲材，根據三維幾何模型逐層沉積成形制造出接近產品形狀和尺寸要求的金屬坯件，再輔以少量機械加工最終達到產品的使用要求［3］。與激光、電子束熔粉增材制造相比，電弧增材制造具有成形效率高（優于500 cm3/h）、制造成本低、自由度較高、易于進行結構件修復等優勢，非常適合中大尺寸金屬構件的制造［4-7］，在航空航天、船舶制造、汽車工業等領域具有廣闊的應用前景。電弧增材制造載能束主要有熔化極電弧（Gas Metal Arc，GMA）、鎢極氬弧（Gas Tungsten Arc，GTA）和等離子弧（Plasma Arc，PA）。

近年來電弧增材制造技術取得了長足進步，但一些關鍵基礎科學問題尚未完全解決，其中沉積層熱輸入（包括弧柱區的熱傳導和輻射、電弧陽極或陰極產熱、絲材熔化為熔滴攜帶的能量）與成形效率（單位時間內熔化的絲材量）的解耦控制已成為制約該技術發展和應用的瓶頸。在電弧增材制造中，電弧的能量一部分用于熔化絲材，其余則主要用于熔化沉積層［8］。為了提高成形效率，需要增加電弧電流以促進絲材熔化，但同時也增大了沉積層的熱輸入。即電弧增材制造的高成形效率是以增加沉積層熱輸入為代價的，由此引發了沉積層熱損傷大、熱積累嚴重等問題，致使熔池穩定性差、沉積層坍塌、沉積層顯微組織粗大與力學性能惡化［9-12］。為降低沉積層的熱輸入，一般采用小電弧電流［13］或延長層間等待時間［14］，但這兩種方法均存在明顯的不足，即以犧牲成形效率為代價來降低沉積層的熱輸入。由此可見，電弧增材制造的沉積層熱輸入與絲材熔化效率是強耦合的，兩者的解耦控制，即實現低熱輸入高效成形，是推進高性能關鍵部件電弧增材制造技術創新發展和質量提升必須解決的關鍵科學與技術難題。

近年來國內外在電弧增材制造成形效率、成形過程熱積累、熱輸入控制等方面陸續開展了諸多研究，有必要對其進行整合總結，以期為后續研究提供借鑒與指導。本文主要分析了沉積層熱輸入與成形效率強耦合的主要原因，重點闡述了現有高效成形方法、熱積累控制方法、低熱輸入熱源的研究進展，指出了這些研究的特點與不足，并對未來電弧增材制造低熱輸入高效成形的主要發展方向進行了展望。

1 電弧增材制造高效成形方法

在絲材熔化效率控制方面，常用的策略是提高電弧電流，保證單位時間內提供足夠能量熔化金屬絲材，但同時也增大了沉積層熱輸入。一種可行的方案是從熱絲或多絲角度提高電弧增材制造的成形效率。

1.1 熱絲電弧增材制造

熱絲增材制造的基本原理是在絲材送入熔池之前對其加熱，使之達到一定的預熱溫度，從而減少電弧用于熔化絲材的能量，因此能在電弧能量保持不變的情況下提高成形效率。絲材加熱方式主要有三種：電阻加熱、高頻感應加熱和電弧加熱。北京理工大學Liu等［15-16］采用電阻熱絲TIG增材制造技術制備了鋁合金薄壁構件（見圖1a），研究表明，電阻熱絲可顯著降低鋁合金的孔隙率，極大地細化柱狀晶粒，熱絲電流從0 A到120 A，成形效率提高了約3.5倍。北京工業大學盧振洋等［17］提出了熱絲變極性PA增材制造技術（見圖1b），基于電弧加熱方式對鋁合金絲材進行預熱，實現了熔滴過渡可控和絲材的高效熔化，解決了電阻熱絲方法僅適用于高電阻率絲材預熱的難題。哈爾濱工業大學范成磊等［18］開發了一種鋁合金高頻感應熱絲TIG技術，基于電磁感應原理，利用高頻交變的電磁場，在焊絲表面近層形成高密度渦流，從而加熱焊絲，研究表明，與常規TIG焊相比，該工藝的焊接效率提高了約3倍以上，還可以消除傳統電阻熱絲TIG焊中的電弧磁偏吹現象。值得注意的是，熱絲增材制造雖然顯著提高了熔敷效率，但其在降低沉積層熱輸入方面并無顯著效果，還增加了制造成本與系統復雜度。

圖1 熱絲電弧增材制造方法Fig. 1 Method of hot-wire arc additive manufacturing

1.2 多絲電弧增材制造

多絲電弧增材制造技術是在傳統電弧增材制造工藝的基礎上同時熔化兩根及兩根以上的絲材，從而使單位內熔化的金屬絲材量成倍增加，提高成形效率。根據是否使用額外電源，多絲電弧增材制造技術可分為多絲單電源和多絲多電源。西南交通大學Xiong等［19］提出了雙絲單GTA增材制造技術，將額外絲材送入不銹鋼GTA增材制造熔池（見圖2a），額外絲材消耗過熱熔池內的多余能量，從而提高絲材熔化效率，減小沉積層熱損傷與熱積累，與單絲GTA增材制造比較，成形效率可提高0.5倍，不銹鋼構件的抗拉強度提升16.14%。哈爾濱工業大學Han等［20］提出了雙絲單GMA增材制造技術，將第二根絲材送入GMA中（見圖2b），消耗電弧能量，從而提高絲材熔化效率，研究表明，雙絲GMA增材制造的成形效率是傳統電弧增材制造的1.65倍，沉積層熱損傷可降低28.6%。

圖2 多絲單電源增材制造方法Fig. 2 Multi-wire and single-power additive manufacturing method

多絲多電源增材制造最具代表性的工藝是Tandem雙絲增材制造。在Tandem雙絲增材過程中，兩焊絲相互絕緣，流入焊絲的電流由兩個互相獨立控制的電源提供。英國克蘭菲爾德大學Martina等［21］采用Tandem雙絲增材制造方法成形了馬氏體不銹鋼（見圖3a），成形效率是傳統電弧增材制造的2倍，最大成形效率可達9.5 kg/h，且能夠保持工藝穩定，不銹鋼構件無明顯缺陷。哈爾濱工業大學韓慶璘［22］在傳統單絲單電弧的基礎上，提出了雙絲雙GTA增材制造方法（見圖3b），雙電弧由兩臺獨立的電源供電，電弧相互吸引形成耦合電弧，將兩根絲材同時送入耦合電弧中，從而大幅提高GTA增材制造的成形效率。

圖3 多絲多電源增材制造方法Fig.3 Multi-wire and multi-power additive manufacturing method

綜上所述，多絲單電源增材制造方法可提高絲材熔化效率，減小沉積層熱損傷與熱積累。多絲多電源增材制造在單絲單電弧的基礎上，額外增加一套或多套同樣的送絲系統與電源，形成多絲多GMA或多絲多GTA增材制造方法，大幅提高了絲材熔化效率，但是額外電弧熱源的引入會增加沉積層的熱輸入與熱損傷。如何解除傳統電弧在增材時傳熱、傳質和傳力方面的固有約束，實現沉積層熱輸入與絲材熔化效率的解耦控制，保障低熱輸入高效成形，是亟需攻克的難題。

2 電弧增材制造過程熱積累控制方法

電弧增材制造過程是電弧等離子體熔化絲材的反復堆積過程，存在熱輸入大、熱積累嚴重、擾動因素多等顯著特點。在成形過程熱積累控制方面，常規手段是采用小電弧電流［13］降低沉積層熱輸入或延長層間等待時間［14］來緩解熱積累。小電弧電流可減小電弧能量，從源頭上降低沉積層熱輸入，減小沉積層熱損傷，但限制了絲材熔化效率。延長層間等待時間能有效促進沉積層的熱傳導與輻射散熱，緩解沉積層熱積累（見圖4），降低層間溫度，提高熔池穩定性與成形質量，然而增加了電弧熄弧時間，也降低了絲材熔化效率。

圖4 不同層間等待時間下成形件溫度場［14］Fig.4 Temperature field of forming parts with different interlayer idle time［14］

與自然冷卻的被動冷卻方式比較，施加主動冷卻不失為一種有效降低成形熱積累的策略。對沉積層施加主動冷卻可減輕甚至完全消除沉積層熱積累，從而解決層間溫度過高引起的熔池穩定性差、沉積層坍塌、顯微組織粗大與力學性能惡化等問題。同時，施加主動冷卻可縮短層間等待時間，直接提高電弧增材制造的成形效率。目前，主動冷卻的途徑主要有以下幾種：（1）基板通循環冷卻水；（2）強制氣流冷卻；（3）水浴增材制造；（4）熱電制冷。

基板循環水冷是降低基板及沉積層熱積累的可行方法。韓國蔚山大學Shin等［23］采用基板通循環冷卻水的方式（見圖5a）對鈦合金薄壁件電弧增材制造過程進行強制冷卻，研究了基板循環水冷對成形件微觀結構和拉伸性能的影響，發現快速冷卻作用細化了晶粒尺寸，改善了拉伸和硬度性能。雖然基板循環水冷可有效降低基板及靠近基板處的沉積層熱積累，但對遠離基板的沉積層收效甚微。

通入低溫氣體對即將凝固的沉積層進行冷卻，可顯著降低沉積層的熱積累并提高成形精度。澳大利亞臥龍崗大學Wu等［24-26］利用CO2氣體對鈦合金GTA增材制造過程進行層間主動冷卻（見圖5b），顯著增加了沉積層的散熱能力，降低了沉積層的熱積累，結果表明，該方法可減少層間等待時間，提高成形效率，同時減小成形件的變形。但由于強制氣流冷卻需耗費大量低溫氣體，故工藝相對復雜、制造成本較高。斯洛文尼亞盧布爾雅那大學Kozamernik等［27］提出了基板循環水冷與沉積層通冷卻氣流的聯合冷卻方式，將沉積層層間溫度控制在設定值以下，結果發現，兩者的結合顯著提高了成形效率，可實現小尺寸構件的近凈成形制造，尺寸偏差僅為2%。

圖5 電弧增材制造過程熱積累控制的主動冷卻方法Fig.5 Active cooling method for heat accumulation control in wire and arc additive manufacturing

為完全消除沉積層的熱積累，近年來研究學者提出了水浴增材制造方法。重慶大學Luo等［28］在低合金鋼電弧增材制造過程中，采用水浴增材方法控制成形熱積累，與自然冷卻相比，該方法顯著提高了成形件的冷卻速率，降低了成形過程的峰值溫度。烏貝蘭迪亞聯邦大學Scotti等［29-30］將基板置于工作水箱中，隨成形高度的增加，逐漸提升冷卻水位（見圖5c），結果表明，水浴增材制造工藝可提高成形效率，改善成形質量，減少成形件力學性能的各向異性。水浴增材制造技術提供了一種低成本的熱積累調控方法，有望完全消除成形熱積累，但成形件尺寸受制于水箱空間。德國亞琛工業大學Reisgen等［31］對比研究了水浴增材制造、強制氣流冷卻和氣溶膠冷卻對結構鋼GMA增材制造成形熱積累的影響，結果表明，與自然冷卻相比，三種冷卻方法都顯著提高了沉積層的冷卻速率，實現了高效成形。其中水浴冷卻的效果最好，強制氣流冷卻次之，同時指出強制氣流冷卻只能適用于熄弧時刻，難以應用于原位電弧增材制造。

將熱電制冷器緊靠成形件側壁，通過熱電效應來制冷成形件的側表面也可降低電弧增材過程的熱積累。北京工業大學Chen等［32-33］將熱電冷卻系統引入電弧增材制造過程（見圖5d），旨在消除相鄰沉積層間的散熱差異，該技術為沉積層幾何形狀的調控提供了新的思路，避免了高層處熔池過熱而發生流淌，提高了成形效率，為解決成形質量與效率的矛盾提供了一種可行方案。然而，該方法僅適用于直壁結構的制造，無法應用于復雜路徑成形件。

綜上所述，與自然冷卻相比，施加主動冷卻可有效緩解甚至消除電弧增材制造過程的熱積累，在一定程度上減少層間等待時間，提高成形效率，適合中小尺寸構件的電弧增材制造。但是，在大尺寸甚至超大尺寸金屬構件的增材制造中，沉積層的熱傳導與輻射散熱時間足夠，并不存在明顯的熱積累，無需施加主動冷卻。

3 低熱輸入電弧增材制造熱源

從熱源本質出發，在源頭上改變電弧熱源形式，從而調控熱輸入或電弧力是降低電弧增材制造沉積層熱輸入的有效方法，甚至有望實現沉積層熱輸入與絲材熔化效率解耦控制。

3.1 脈沖電弧增材制造

脈沖電弧增材制造通過控制輸出電流的波形可有效降低電弧熱輸入。哈爾濱工業大學Duan等［34］采用脈沖等離子弧增材制造工藝制備了鈦合金薄壁件（見圖6a），結果表明，與傳統GTA增材制造相比，脈沖等離子弧增材制造工藝減少了37%的熱輸入，提高了成形件的冷卻速率，緩解了成形過程的熱積累，為制造力學性能優異的鈦合金件提供了新途徑。重慶理工大學Luo等［35］指出，脈沖電弧能促進小尺寸熔滴的形成，提高熔滴過渡的頻率，實現穩定的脈沖GMA增材制造過程。南京理工大學Feng等［36］提出了雙脈沖電弧增材制造工藝（見圖6b），即采用一個高頻脈沖疊加一個低頻脈沖，高頻脈沖階段熔化金屬，低頻脈沖階段攪拌熔池、促進熔滴過渡，研究了低頻頻率對Al-Mg薄壁件組織及力學性能的影響，結果表明，在頻率為3 Hz時，成形的薄壁件幾乎沒有孔隙，且力學性能最優。

圖6 脈沖電弧增材制造Fig.6 Wire and pulsed arc additive manufacturing

3.2 CMT增材制造

冷金屬過渡技術（Cold Metal Transfer，CMT）是Fronius公司于2004年研制的新型無飛濺焊接技術，與傳統GMA相比，CMT電弧短路瞬間電弧熄滅，電弧空間溫度和熔滴溫度較“冷”。因此，CMT增材制造具有熔滴過渡過程可控、熱輸入低、成形效率高等顯著優點［37-38］。上海工程技術大學Nie等［39］對鋁合金CMT增材制造工藝進行了研究（見圖7），通過焊絲的機械回抽和短路時的電流控制，實現了穩定的熔滴過渡和較低的沉積層熱輸入，獲得了精準的成形道幾何形狀和較低的焊道表面粗糙度，改善了成形件的微觀結構和硬度。CMT目前有四種不同的電弧模式，分別為CMT、CMT Advanced、CMT Pulse和CMT Advanced Pulse。北京航空航天大學Cong等［40］研究了CMT電弧模式對Al-6.3%Cu合金薄壁件氣孔率的影響，結果表明，CMT Advanced Pulse工藝最適合沉積Al-6.3%Cu合金，其促進了細小等軸晶粒的形成，且顯著降低了氣孔率及成形道的熔深。

圖7 CMT工作示意圖及鋁合金CMT成形件［39］Fig.7 Schematic diagram of CMT and aluminum alloy CMT deposited parts［39］

3.3 旁路電弧增材制造

旁路分流的思想最早由美國肯塔基大學的張裕明教授提出［41-44］，其基本思路是在傳統電弧回路中并聯一個或兩個回路（見圖8a），將原本流入沉積層的電流部分或全部從旁路分流，形成低熱輸入的電弧等離子體，減少主路電弧對沉積層的熱、力作用，同時保證絲材熔化效率不變。蘭州理工大學Huang等［45］通過旁軸絲對傳統GTA電弧進行分流（見圖8b），可對絲材進行預熱以提高熔化效率，同時減少電弧能量對沉積層的熱損傷，結果表明，通過優化工藝參數能獲得成形良好的薄壁件。西南交通大學Xiong等［46］利用一個GTA槍從傳統GMA電弧中分流（見圖8c），通過調控旁路電弧參數可合理分配絲材與沉積層之間的熱量，并指出旁路電流比是決定沉積層熱輸入、成形件微觀結構和力學性能的關鍵因素。山東大學吳東亭等［47］用熔化極代替非熔化極旁路，采用額外絲材對傳統GMA電弧進行分流（見圖8d），通過調控額外絲材的送絲速度可改變絲材分流大小，該方法不僅能降低沉積層熱輸入，還能大幅提升絲材熔化效率。

圖8 旁路電弧增材制造Fig.8 Wire and bypass arc additive manufacturing

3.4 間接電弧增材制造

間接電弧直接建立在兩電極之間，且絲材作為其中一個電極，基板或沉積層不接電源，電弧熱主要用于熔化金屬絲材。與傳統電弧相比，間接電弧增材制造既能提高成形效率又能顯著減少沉積層的熱輸入，因此在增材制造領域具有獨特優勢。哈爾濱工業大學王軍等人［48-50］建立了TIG-MIG間接電弧系統（見圖9a），確定了間接電弧能穩定燃燒的工藝參數區間，證實了該工藝在降低沉積層熱輸入方面具有顯著優勢，并指出電流、送絲速度的適當匹配能保證熔滴快速、穩定、均勻地向工件過渡。為了控制熔滴的軌跡和溫度，山東大學Jia等［51-52］開發了一種新的強制拘束型增材制造技術，間接電弧建立在鎢極和絲材之間，并被限制在耐高溫的陶瓷噴嘴內（見圖9b），強制拘束作用迫使熔滴以固定的軌跡下落，減少了成形過程的熱輸入和熱積累。葡萄牙里斯本新大學Rodrigues等［53］提出了一種基于恒壓電源的超冷電弧增材制造新工藝（見圖9c），電弧建立在鎢極和絲材之間，對該工藝所制備的高強度低合金鋼薄壁件的微觀結構和力學特性進行表征，并與傳統GMA增材制造進行比較，結果表明，在保證成形件力學性能的基礎上，超冷電弧增材制造顯著降低了沉積層的峰值溫度與熱積累。

圖9 間接電弧增材制造Fig.9 Wire and indirect arc additive manufacturing

冷金屬過渡技術及脈沖電弧是減少熱輸入的有效方法，但無法實現沉積層熱輸入與絲材熔化效率的解耦。旁路分流的低熱輸入電弧方法在一定程度上實現了沉積層熱輸入與絲材熔化效率的解耦，但解耦并不徹底，大部分電弧能量仍然直接作用于沉積層，且絲材熔化效率提升有限。間接電弧可完全實現沉積層熱輸入與絲材熔化效率的解耦控制，但電弧在兩絲材之間燃燒，導致電弧與熔滴過渡穩定性較差，飛濺多，且成形質量難以控制。

4 結論與展望

（1）傳統電弧增材制造中，電弧能量一部分用于熔化絲材，其余能量主要用于熔化沉積層。為提高成形效率，需要增加電弧電流以促進絲材熔化，但同時也增大了沉積層的熱輸入。沉積層熱輸入與成形效率的強耦合關系成為制約電弧增材制造技術創新發展和質量提升的瓶頸。

（2）熱絲或多絲方式可顯著提高電弧增材制造的成形效率，但額外電弧熱源的引入會增加沉積層的熱輸入與熱損傷。施加主動冷卻可有效控制成形過程熱積累，間接提高了電弧增材制造的成形效率，但增加了制造成本與系統復雜度，尚未從本質上攻克難題。改變電弧熱源形式可從根源上控制沉積層的熱輸入。

（3）現有文獻在沉積層熱輸入與成形效率控制方面開展了深入研究，但大多追求單一目標，即僅僅考慮降低沉積層的熱輸入或提高絲材熔化效率，如何實現沉積層熱輸入與絲材熔化效率的解耦控制，保障低熱輸入高效成形，是亟需攻克的難題。

（4）改變電弧熱源形式是實現電弧增材制造沉積層熱輸入與絲材熔化效率解耦的有效方法。未來可考慮從源頭出發，開發創新的電弧熱源，實現成形過程熱、質、力的解耦控制，并提高電弧穩定性、熔滴過渡的可控性、成形過程的穩定性。同時開發集多種工藝于一體的電弧增材制造系統，充分發揮各種技術的優點，從而推進電弧增材制造技術的創新發展和質量提升。