脈沖TIG增材制造技術研究進展

郭龍龍，賀雨田，鞠錄巖，吳澤兵，張 勇，呂瀾濤，王文娟

(西安石油大學 機械工程學院，西安 710065)

增材制造技術基于“離散-堆積”原理，以粉末或絲材為填充材料，利用數(shù)字化技術控制高能束將填充材料熔化，依據(jù)三維CAD模型數(shù)據(jù)制造實體產品[1-3]。與傳統(tǒng)的“減材制造”技術相比，增材制造技術能夠實現(xiàn)高性能，復雜結構金屬件的快速、無模具、致密、近凈成形，而且材料利用率高[2]。因此自20世紀80年代以來，增材制造技術始終是國際材料加工工程與先進制造技術學科交叉領域的研究熱點，我國政府和相關部門也對增材制造技術高度重視，在“中國制造2025”中將其列為未來大力扶持與重點發(fā)展的技術[4-5]。

脈沖TIG(pulsed tungsten inert gas, PTIG)增材制造屬于電弧增材制造技術的重要分支，其以周期性變化的電弧為熱源，以氬氣等惰性氣體作保護，填充焊絲以熔滴的方式逐滴、逐層沉積，從而獲得近凈成形的制造件[6-7]。與激光增材制造、電子束增材制造等技術相比，PTIG增材制造技術最顯著的優(yōu)勢是成本低、沉積率和材料利用率高，適用于大尺寸、復雜結構件的制造[8-9]。因此，PTIG增材制造技術在航空航天、飛機、汽車、核電等領域的零部件制造方面有著良好的應用前景[10-12]。

目前，PTIG增材制造技術已被用于各種材料的增材制造，如AZ31鎂合金[10]、鎳基合金[12]、Ti-6Al-4V鈦合金[11,13-14]、HSLA鋼[15]、鋁合金[16]等，并成功制備出具有較好成形質量和力學性能的單道多層薄壁件[10,13]、薄壁圓筒件[16-17]和矩形薄壁件[11]等簡單結構成形件。由于PTIG增材制造技術涉及的工藝參數(shù)較多，加之焊絲以高溫熔滴逐點、逐層沉積的特殊性，導致PTIG增材制造的工藝控制更加復雜。因此，國內外學者圍繞PTIG增材制造的過程控制展開了相關研究，研究熱點包括：不同材料PTIG增材制造的可行性、成形件缺陷形成機制及調控方法、工藝參數(shù)對成形質量的影響、工藝參數(shù)對微觀組織的影響、成形件應力與變形調控、工藝參數(shù)對力學性能的影響。總體來看，國內外關于PTIG增材制造技術的研究及應用仍處于起步階段，工藝因素對PTIG增材制造成形件成形質量、微觀組織及性能的影響機理還不是很清楚。因此，成形質量控制、微觀組織及性能控制將仍是研究的熱點，也是亟待解決的關鍵科學問題。

本文從實驗研究和數(shù)值模擬的角度，著重介紹了PTIG增材制造成形件成形質量、微觀組織及性能控制方面的研究進展，總結、歸納了目前研究存在的不足，提出了未來需要深入研究的方向。

1 成形質量控制研究

PTIG增材制造的填充材料以高溫熔滴的方式逐滴、逐層沉積，因此成形件的成形質量，如尺寸精度、表面平整度等，是衡量制造方案是否合理、有效的關鍵指標[11]。然而，在PTIG增材制造過程中，工藝參數(shù)、預熱溫度和搭接率等因素均會對熔滴的過渡行為、熔池的動力學行為、熔池的傳熱過程和形態(tài)產生顯著影響，從而影響所得焊道的成形質量[18]。此外，相鄰焊道的搭接情況影響所得沉積層的表面平整度，先前沉積層的成形情況又直接影響后續(xù)的堆積層[19]。因此，焊道和沉積層的成形質量對最終所得成形件的成形質量至關重要[20]。因此，非常有必要探討工藝因素對成形件成形質量的影響規(guī)律，為成形質量的準確預測、主動控制提供一定的理論基礎和實驗參考。

國內外學者已圍繞PTIG增材制造成形件的成形質量及其影響因素展開了研究，相關研究主要包括兩方面：一方面，采用實驗的方法直接研究成形件的宏觀形貌，分析工藝因素變化對沉積層成形質量的影響規(guī)律；另一方面，采用數(shù)值模擬的方法從流體動力學角度揭示熔池流動對沉積層成形質量的影響機理。

1.1 實驗研究

目前，已有學者通過實驗，從宏觀形貌的角度探討了工藝參數(shù)對成形件成形質量的影響規(guī)律。如，Chen等[21]基于多傳感器融合技術，提取PTIG焊道沉積過程中的電信號和圖像信息，并以獲取的信息作為輸入變量，建立熔池幾何參數(shù)的神經網絡預測模型，結果表明：所提出的方法是可行的，其能夠準確預測熔池的幾何參數(shù)；Lothongkum等[22]研究了PTIG工藝參數(shù)對單道沉積層成形質量的影響，研究指出：增加氬氣中氮氣的含量會導致焊接電流降低，焊道的深寬比隨掃描速率的增加而增大；Chen等[23]借助傳感器提取PTIG焊接電流、電壓和熔池圖像等信息，綜合運用B-P神經網絡和D-S證據(jù)理論算法處理信息，預測了焊道的熔合情況，研究表明：所建立模型的最高預測精度為72.2%，精度較差的主要原因是信號處理算法不夠精確；Wang等[24]研究了PTIG焊接電流、焊接速率和送絲速率對4043鋁合金沉積層高度、寬度的影響規(guī)律，獲得了無可見缺陷的4043鋁合金空心圓柱件，其表面波紋度小于0.05；Madadi等[25]借助中心復合實驗設計方法獲取樣本，利用響應面法建立了PTIG工藝參數(shù)，包括基值電流、峰值電流、基值時間、占空比和頻率，與單焊道成形質量的回歸模型，結果表明：所考察的工藝參數(shù)對單焊道的成形質量具有顯著影響，電流是影響熱輸入和熔合率的主要參數(shù)，熔合率隨電流的增加而升高。

此外，Qi等[26]探討了PTIG電弧行為對單焊道成形尺寸的影響，研究指出：隨著脈沖頻率的增加，電弧電壓、電弧力和電弧剛度增加、電弧收縮效應也逐漸顯著，電弧力增大促使熔深增加，而電弧收縮則導致熔寬減??；李玉龍等[27]分析了PTIG脈沖頻率對焊道成形的影響規(guī)律，結果表明：脈沖頻率對電弧特性和熔池流動行為有顯著影響，頻率變化會導致熔寬、熔深和熔透率發(fā)生變化；Ghosh等[15]維持熱輸入不變，著重探討了脈沖因子變化對單焊道成形質量的影響，研究指出：因子φ變化對熔池的熔深、熔寬及傳熱行為有顯著影響；Guo等[28-29]建立了PTIG工藝參數(shù)與Inconel 625單焊道成形質量的回歸模型，揭示了工藝參數(shù)主效應、交互效應對焊道成形質量的影響規(guī)律，實驗表明：所建立模型可用于成形質量的預測。

以上關于成形質量的實驗研究主要針對單層單道成形件，也有少量學者針對單道多層、多道多層成形件的PTIG增材制造進行了研究。如，Ouyang等[16]利用PTIG增材制造5356鋁合金薄壁件，通過預熱基材、監(jiān)控電弧長度和調控焊接電流改善了沉積條件、降低了成形件的變形，并揭示了工藝參數(shù)對沉積層寬度和厚度的影響規(guī)律，結果表明：可利用PTIG增材制造具有較高成形質量的5356鋁合金件；Katou等[17]利用PTIG增材制造Ti合金件，研究了工藝參數(shù)對成形質量的影響規(guī)律，并成功制備了Ti合金成形件(見圖1)，研究指出：隨著峰值電流的增加，焊道的傾角和高度逐漸減小，熔寬逐漸增加，成形件中未發(fā)現(xiàn)氣孔、裂紋等缺陷，而且微觀組織比較均勻。

圖1 PTIG增材制造件[17] (a)環(huán)狀結構；(b)雙螺旋結構Fig.1 Parts manufactured by PTIG[17](a)ring structure;(b)double helix pin structure

此外， Guo等[10]利用PTIG增材制造AZ31鎂合金件，得到了不同頻率條件下單道多層薄壁成形件的宏觀形貌(見圖2)，研究指出：脈沖頻率對成形件的宏觀形貌有顯著影響，在頻率為5Hz和10Hz時，熔池發(fā)生了共振，因此宏觀成形質量較差；孫紅葉等[30]利用PTIG進行Al-6.3Cu合金的電弧填絲增材制造，著重探討了焊接速率和送絲速率對成形件層高和層寬的影響，研究表明：改變送絲速率和焊接速率可有效地調節(jié)成形件的層高和層寬；黃丹等[31]探討了預熱溫度和峰值電流對PTIG增材制造5A06鋁合金成形質量的影響，建立了單層單道基板預熱溫度和帶判據(jù)的電弧峰值電流工藝規(guī)范，研究指出：成形件的層高自第一層起急劇下降，直到第八層后層高基本趨于穩(wěn)定。同時，上述關于多焊道的PTIG增材制造實驗研究一致認為：PTIG增材制造技術具有良好的工程應用前景。

盡管，國內外學者已圍繞PTIG增材制造件的成形質量控制展開了相關實驗研究，然而研究仍存在不足：

(1) 研究重點在于簡單結構成形件增材制造的可行性實驗驗證，針對復雜結構成形件的研究比較罕見；

(2) 關于焊道宏觀形貌及影響因素的研究，僅考慮了個別工藝參數(shù)，而且工藝參數(shù)主要是根據(jù)經驗選取，缺乏理論基礎和實驗依據(jù)；

(3) 關于多道沉積層的研究，工藝參數(shù)對成形件宏觀形貌影響機理的系統(tǒng)研究較少，尚未建立工藝參數(shù)對成形質量影響規(guī)律的定量描述模型。

圖2 AZ31薄壁件橫截面形貌[10] (a)500Hz;(b)100Hz;(c)10Hz;(d)5Hz;(e)2Hz;(f)1HzFig.2 Cross section morphologies of thin-walled AZ31 parts[10] (a)500Hz;(b)100Hz;(c)10Hz;(d)5Hz;(e)2Hz;(f)1Hz

1.2 數(shù)值模擬研究

由于難以利用實驗準確地表征熔池的溫度分布和流動行為，因此部分學者嘗試利用數(shù)值模擬的方法對熔池的傳熱和傳質行為進行研究。如，Kim等[32]分析了電磁力、表面張力、浮力和等離子弧力對熔池流動行為的影響，研究指出：增加脈沖時間比可增加熔深，但當脈沖時間比較小時熔深變化不明顯；武傳松等[33]探討了脈沖電流對TIG熔池流場、溫度場和幾何形狀的影響規(guī)律，研究表明：熔池形狀對電流的脈沖作用比較敏感，熔池流動的主要驅動力是表面張力梯度，而且其流場隨電流作周期性變化；Lu等[34]研究指出：電弧溫度分布決定電流密度分布和熔池形狀，表面張力梯度是決定熔池形狀的主要因素；楊明軒等[35]研究指出：高頻脈沖電弧對熔池液態(tài)金屬的熱、力作用顯著，熔池表面流體在表面張力的驅動下由熔池中心流向邊緣，最大流動速度出現(xiàn)在熔池邊緣。上述學者建立的PTIG熔池流動數(shù)值模型均是二維的，而且假設熔池表面為平面，沒有考慮熔池表面的變形。事實上，熔池表面的變形會影響電弧、熱、力在熔池表面及其內部的分布，從而影響熔池的流動行為、傳熱過程和幾何形態(tài)，最終影響沉積層的成形情況[36]。

隨后，研究者松弛了熔池表面為平面的假設，在考慮熔池表面變形的基礎上作了進一步研究。如，Traidia等[37]探討了工藝參數(shù)對熔池形狀的影響；Roger等[38]研究了PTIG電弧與熔池的耦合作用，研究指出：Marangoni對流是熔池流動的主要驅動力，在電流平均值相同的條件下，PTIG與TIG熔池形狀完全不同；Yang等[39]模擬了熔池的瞬態(tài)行為，結果表明：電弧的壓縮效應會促使熔深增加，而且在電磁力和表面張力共同作用下熔池中存在雙環(huán)流。

上述學者采用的都是二維數(shù)值模型，隨后學者嘗試建立三維數(shù)值模型進行研究。如，高如超等[40]建立三維瞬態(tài)模型，研究了PTIG熔池行為及其對焊縫成形的影響，結果表明：電流方式對熔池流動行為和焊縫形狀有明顯影響，脈沖電流促使焊縫表面形成焊波，焊波間距和高度隨脈沖頻率的增加而減小，在連續(xù)電流作用下焊縫表面是連續(xù)的；Liu等[41]基于三維瞬態(tài)數(shù)值模型，研究了PTIG工藝參數(shù)對熔池流動行為和焊波形成的影響，研究指出：脈沖電流和熔池凝固誘導熔池上下流動，從而形成了表面波紋，隨峰值電流的增加波紋厚度逐漸增厚，隨著脈沖頻率的升高波紋間距減小。以上關于PTIG增材制造熔池的數(shù)值模擬研究忽略了熔滴的影響，然而熔滴具有一定的速度、溫度和質量，會對熔池表面造成沖擊，并影響熔池的動量、能量和質量傳輸。因此，上述模型無法反映熔滴對熔池流動行為的影響，也無法準確地表征熔池的流動、傳熱和傳質行為。

綜上所述，現(xiàn)有針對PTIG熔池力學行為的數(shù)值模擬研究仍存在不足：

(1) 研究主要針對單層單道成形件的熔池流動行為及影響因素，鮮有關于多道、多層和多道多層增材制造的研究；

(2) 將沉積層簡化為連續(xù)、均勻的介質，忽略了熔滴質量、動量和能量對熔池流動行為、傳熱過程和幾何形態(tài)的影響。

2 微觀組織及性能控制研究

增材制造所得成形件不僅要滿足尺寸精度和表面平整度要求，而且要滿足性能要求。然而，增材制造熔池液態(tài)金屬的動力學行為、晶體的形核和長大過程均影響沉積層的微觀組織特征[11]；同時，在逐點、逐層沉積過程中，已沉積材料經歷的多周期、復雜熱作用會誘使微觀組織發(fā)生復雜的演變，導致成形件的微觀組織和力學性能呈現(xiàn)顯著的各向異性[16]；此外，不均勻的加熱和冷卻導致成形件中存在復雜的內應力，過大的內應力會引起成形件嚴重變形，促使裂紋等缺陷的形成，繼而影響成形件的尺寸穩(wěn)定性和承載性能[42]。因此，有必要圍繞PTIG增材制造成形件微觀組織及性能的調控機理和方法展開相關研究。

目前，國內外學者已圍繞成形件的微觀組織及性能控制展開了實驗和數(shù)值模擬兩方面的研究，并取得了一定的成果。

2.1 實驗研究

關于PTIG增材制造成形件微觀組織及性能的實驗研究仍處于探討階段，研究主要針對特定工藝參數(shù)所得的成形件，缺乏工藝參數(shù)對成形件微觀組織及性能影響機理的系統(tǒng)研究。如，Wang等[24]分析了PTIG增材制造4043鋁合金空心圓柱件的微觀組織特征，結果表明：成形件的底部和中部是胞狀晶、柱狀晶，頂部為較細密的樹枝晶，側面則是細小的等軸晶；Ouyang等[16]研究了PTIG增材制造5356鋁合金薄壁件的微觀組織，結果表明：微觀組織的形態(tài)與其在沉積層中的位置密切相關，沉積層頂部以等軸晶為主，中部主要是較細密的等軸晶，層間熔合區(qū)為粗大的柱狀晶；Horii等[43]利用PTIG增材制造技術制備了Inconel 600成形件，結果表明：成形件的沉積層間熔合良好，微觀組織致密、無氣孔和夾渣等缺陷，成形件的抗拉強度為690MPa，伸長率為43%，均優(yōu)于JIS G4902標準所規(guī)定Inconel 600的力學性能指標；Wang等[13]探討了PTIG增材制造Ti-6Al-4V薄壁件的可行性，分析了成形件的微觀組織演變和力學性能，結果表明：成形件的微觀組織呈外延生長的柱狀晶，且其強度和延展性呈現(xiàn)顯著的各向異性，平均屈服強度和抗拉強度分別為803MPa和918MPa，與鍛造Ti-6Al-4V相比，成形件的強度較低，但是疲勞壽命較高；黃丹等[31]研究指出：PTIG增材制造5A06鋁合金件的微觀組織不均勻，層內為細小的樹枝晶和等軸晶，層間結合處為粗大的柱狀晶，頂部為細小的樹枝晶和等軸晶，成形件的抗拉強度與退火狀態(tài)的5A06鋁合金比較接近。

此外，部分學者嘗試探討了PTIG工藝因素對成形件微觀組織及性能的影響規(guī)律。如，Ayarkwa等[44]研究了PTIG占空比對5556鋁合金增材制造件微觀組織和力學性能的影響，研究指出：隨著占空比的增加，晶粒尺寸增加；但占空比對成形件的力學性能影響不明顯，成形件的屈服強度和抗拉強度分別為250MPa和300MPa。Wu等[11]研究了PTIG占空比、基值電流對Ti-6Al-4V成形件微觀組織和力學性能的影響規(guī)律，研究指出：成形件的宏觀形貌主要取決于熱輸入；降低熱輸入對于細化β相作用不明顯，但有利于改善成形件的屈服強度和抗拉強度；其屈服強度為891～931MPa，抗拉強度為963～1008MPa，與鍛態(tài)Ti-6Al-4V的力學性能相近。張曉鴻等[12]探討了PTIG脈沖頻率、峰值電流、占空比和基值電流對Inconel 690單道沉積層微觀組織的影響，研究指出：PTIG工藝參數(shù)對沉積層晶粒大小有顯著影響，在合理的參數(shù)范圍內，隨著峰值電流、占空比和脈沖頻率的增加，沉積層的晶粒明顯細化；增大基值電流則不利于焊縫組織的細化。

綜上所述，現(xiàn)有關于PTIG增材制造成形件微觀組織及性能的實驗研究仍存在不足：

(1) 研究主要針對特定工藝條件增材制造所得的成形件，工藝因素對成形件微觀組織及性能的影響機理尚不明確；

(2) 成形件微觀組織特征對力學性能的影響機理尚不明確，兩者之間尚未建立起有效的數(shù)學模型；

(3) 針對成形件內氣孔等缺陷形成機制的研究較少，工藝因素對缺陷的影響規(guī)律尚不明確，缺乏抑制缺陷的有效措施。

2.2 數(shù)值模擬研究

PTIG增材制造是電弧熔化金屬材料形成熔池，實現(xiàn)填充材料和既有材料冶金結合的過程。為了獲得組織均勻、殘余拉應力和變形小的成形件，國內外學者開展了相關數(shù)值模擬研究。如，Zhao等[42]探討了掃描路徑對單道多層增材制造件殘余應力和變形的影響，研究指出：掃描路徑對殘余應力和變形有顯著影響，末尾沉積層的殘余應力明顯較大，這主要是因為缺少后續(xù)沉積層的退火效應；Heigel等[45]研究了間隔時間和壁厚對成形件溫度和殘余應力的影響；趙慧慧[46]著重研究了再制造過程中的應力和變形演變規(guī)律及其影響因素，并建立了多重堆積路徑模糊綜合評價系統(tǒng)，實現(xiàn)了多指標路徑優(yōu)化。上述數(shù)值模擬研究的重點均是應力場、變形的演變和分布，溫度場分析僅僅是應力和變形分析的載荷，而且忽略了熱輸入的周期性變化。

通常，在合金成分既定的條件下，溫度梯度(G)和結晶速率(R)是表征熔池溫度場的兩個關鍵參數(shù)，溫度梯度和結晶速率的比值G/R決定微觀組織的形態(tài)，兩者的乘積G×R影響微觀組織的尺寸[47]。然而，僅少量學者綜合考慮了PTIG增材制造工藝因素對溫度場和殘余應力場的影響。郭龍龍[48]建立了PTIG多道多層沉積的三維熱-力耦合有限元模型，分析了間隔時間、沉積路徑對成形件殘余應力的影響規(guī)律，優(yōu)化了間隔時間和掃描路徑。但是，該研究沒有考慮熱輸入的周期性變化，并且沒有考慮PTIG工藝參數(shù)變化對溫度場和應力場的影響。

綜上所述，現(xiàn)有關于PTIG增材制造過程的數(shù)值模擬研究仍存在不足：

(1) 假設熱輸入是恒定的，忽略了熱輸入的周期性變化；

(2) 研究的重點在于應力場，關于溫度場對微觀組織的影響重視不足；

(3) 研究主要針對特定的工藝條件，工藝參數(shù)變化對溫度場和應力場分布及演變的影響機理尚不明確；

(4) 尚未建立溫度場與微觀組織的數(shù)值模型，無法根據(jù)溫度場數(shù)據(jù)預測微觀組織的演變及分布特征；

(5) 尚未建立微觀組織與力學性能關系的定量模型，無法預測成形件的力學性能。

3 PTIG增材制造技術未來研究方向

為了獲得具有良好成形質量和性能的成形件，亟須實現(xiàn)PTIG增材制造件成形質量、微觀組織及性能的準確預測、主動控制。本文在綜合分析國內外研究動態(tài)的基礎上，就未來應解決的關鍵科學問題和研究方向給出如下建議：

(1) 進行不同參數(shù)組合條件下的PTIG增材制造實驗，分析工藝參數(shù)主效應、交互效應對成形件成形質量的影響規(guī)律；

(2) 結合成形件的幾何形貌，建立涉及電弧、熔滴和熔池的多物理場強耦合數(shù)值模型，從動力學、傳熱和傳質行為的角度揭示工藝因素對成形質量的影響機理；

(3) 考慮電流的脈沖變化，建立PTIG增材制造過程的熱力耦合有限元模型，揭示缺陷產生機制、調控應力和變形，以減少缺陷產生；

(4) 建立熔池非平衡凝固過程的微觀組織預測模型，揭示工藝因素對微觀組織形貌、晶粒尺寸和分布的影響機理，并預測成形件的微觀組織特征；

(5) 建立成形件微觀組織與性能的定量描述模型，結合微觀組織數(shù)值模擬結果，準確預測成形件的力學性能。