電弧增材再制造技術(shù)研究進(jìn)展

朱勝 杜文博

摘要：電弧增材再制造技術(shù)是金屬零構(gòu)件損傷修復(fù)的重要方法。分析了電弧增材再制造技術(shù)的內(nèi)涵及特點(diǎn)，總結(jié)了電弧增材再制造技術(shù)在成形精度、成形效率、形性調(diào)控工藝等方面存在的問題和研究進(jìn)展，展望提出了電弧增材再制造技術(shù)發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：電弧焊接; 增材再制造;修復(fù)

中圖分類號(hào)：TG442? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2020）09-0251-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.09.28

0? ? 前言

增材再制造技術(shù)是以廢舊零部件為研究對象，在缺損三維數(shù)據(jù)模型驅(qū)動(dòng)下，通過離散分層、填充路徑規(guī)劃，進(jìn)而逐層疊加、累積成形，恢復(fù)其尺寸和性能的數(shù)字化快速成形方法。與增材制造相比，加工對象和工藝流程均有所區(qū)別。面向服役階段的零部件，失效形式、基體材質(zhì)、性能需求更加多樣化、個(gè)性化和復(fù)雜化。尤其是對于一些大型高附加值裝備金屬零部件，需要現(xiàn)場或在線修復(fù)，對工藝適應(yīng)性、設(shè)備機(jī)動(dòng)性、技術(shù)可靠性提出了更高的要求[1]。

金屬增材再制造技術(shù)難度大，是當(dāng)前先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展方向之一，采用電弧、激光、等離子、電子束作為熱源的再制造成形的研究應(yīng)用較多。而不同熱源導(dǎo)致在成形精度、成形效率以及成形質(zhì)量控制等方面存在較大差異。

1 電弧增材再制造技術(shù)

電弧增材再制造（Wire and Arc Additive Rema-nufacturing）是根據(jù)離散堆積原理，利用電弧作為載能束，使金屬絲材加熱熔化，在由缺損數(shù)據(jù)模型生成的路徑規(guī)劃程序驅(qū)動(dòng)下，點(diǎn)-線-面-體累加成形，使缺損零件恢復(fù)尺寸形貌和性能的先進(jìn)制造技術(shù)。該技術(shù)主要基于TIG、MIG、SAW等焊接技術(shù)發(fā)展而來，與激光、等離子、電子束等載能束相比，成形效率高，材料利用率高;設(shè)備成本相對較低，不受設(shè)備成形腔或真空室尺寸限制，可原位修復(fù)較大尺寸零件。由于具有小熔池熔煉與鑄造的特點(diǎn)，成形層成分均勻、力學(xué)性能好。材料適用范圍廣，可對鋁合金、銅合金等激光反射率高的材質(zhì)堆積成形，實(shí)現(xiàn)對鋁、銅等合金零部件的修復(fù)。

電弧增材再制造技術(shù)為失效或損壞零部件修復(fù)提供了更為高效、低成本的解決方案，在航空航天、能源化工、軌道交通等高端裝備領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

但電弧增材修復(fù)過程始終以高溫液態(tài)金屬熔滴的形式過渡，對基體和已凝固區(qū)域會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的熱影響;且由于模型精度、分層處理、焊道搭接等因素影響，成形層表面波動(dòng)較大。同時(shí)，高溫液態(tài)金屬熔滴凝固過程產(chǎn)生的組織缺陷使修復(fù)過程中零件的成形精度和質(zhì)量控制難度極大，這些都是后續(xù)研究中亟待解決的瓶頸問題。

2 國內(nèi)外研究進(jìn)展

2.1 國外研究進(jìn)展

1925年Baker等人首次采用電弧熔覆成形方法制造出金屬飾物。20世紀(jì)70年代，Kussmaul等人首次采用埋弧焊方式，制造出大壁厚金屬容器，重達(dá)79 t。英國Nottingham 大學(xué)Spencer等利用6軸焊接機(jī)器人控制GMAW焊槍運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)零件的三維自由成形，通過簡單的溫度控制裝置控制焊接熱輸入量，從而降低了成形零件的表面粗糙度值，此外還做了熔敷層的顯微組織分析、表面粗糙度和殘余應(yīng)力的測量。Ribeiro等人設(shè)計(jì)出了機(jī)器人電弧熔覆快速成形系統(tǒng)，制造出典型零件（見圖1）[2]，促進(jìn)了該技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

英國Cranfield大學(xué)用電弧熔覆成形技術(shù)替代鑄造工藝，實(shí)現(xiàn)了鈦合金、鋁合金與高溫合金構(gòu)件的成形，圖2為電弧增材制造的鈦合金大型框架。英國宇航局用電弧增材制造出高強(qiáng)鋼炮彈殼體，如圖3所示[3]。

Souther Methodist大學(xué)先進(jìn)制造研究中心開發(fā)了用于制造金屬零件的基于焊接工藝（包括LAW、GMAW、GTAW等）和數(shù)控技術(shù)相結(jié)合的實(shí)體自由熔敷成形技術(shù)，首次嘗試通過控制快速成形焊接熔敷工藝中的熔深和熱輸入來實(shí)現(xiàn)分層制造 。Heather E. Beardsley對基于三維焊接熔敷成形技術(shù)中的熔滴形成和熔敷機(jī)理進(jìn)行了研究，通過視覺傳感系統(tǒng)對焊接過程中的熔滴過渡進(jìn)行精確控制，此外，還對焊接熔深作了有限元數(shù)值模擬計(jì)算。Fourligkas Nikolaos研究了一種基于機(jī)器人等離子弧焊接熔敷的快速成形技術(shù)，并研究了熔敷過程中的熱流和質(zhì)量過渡機(jī)理，用于控制成形零件的質(zhì)量[4]。

葡萄牙Minho大學(xué)、澳大利亞Wollongong大學(xué)的Fer-nando Riberio博士和John Norrish教授利用機(jī)器人熔化焊接工藝實(shí)現(xiàn)了零件的三維焊接熔敷成形，其切片軟件用Autolisp語言開發(fā)，零件三維造型后輸入切片軟件進(jìn)行切片處理并生成機(jī)器人路徑，同時(shí)輸入焊接工藝參數(shù)，然后將機(jī)器人路徑代碼和焊接工藝參數(shù)下載到機(jī)器人控制器，控制焊接熔敷工藝的進(jìn)行。美國肯塔基大學(xué)的Zhang Yuming等人對焊接熔敷成形過程中的CAD建模、文件處理、分層切片、加工矢量路徑規(guī)劃等進(jìn)行了詳細(xì)研究，此外著重研究了焊接過程的熱量和質(zhì)量流動(dòng)機(jī)理及其控制措施，對焊接電弧的引弧、熄弧進(jìn)行控制，以獲得最佳熔敷成形效果[5]。法國學(xué)者Branza等人采用電弧熔敷方法對耐熱鑄鋼軸類零件進(jìn)行多道焊修復(fù)，并研究了其修補(bǔ)后的組織特點(diǎn)。軸類零件進(jìn)行修復(fù)后的宏觀、微觀組織形貌如圖4所示[6]。

2.2 國內(nèi)研究進(jìn)展

再制造技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建立了基于機(jī)器人GMAW堆焊修復(fù)的再制造系統(tǒng)，對成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并研究成型件組織性能，采用該系統(tǒng)對扭力軸進(jìn)行再制造的流程如圖5所示。首先是獲得零件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上生成三維模型，然后將三維模型與理論模型的對比修正，最后生成修復(fù)軌跡進(jìn)行零件電弧熔敷增材修復(fù)。

為提高修復(fù)成形層精度和表面質(zhì)量，采用機(jī)器人GMAW與數(shù)控銑削相結(jié)合的快速再制造方法，對報(bào)廢的右凸輪零件進(jìn)行了電弧熔敷增材修復(fù)再制造，并對成形件形態(tài)控制和組織性能控制進(jìn)行了研究，其再制造修復(fù)的右凸輪零件如圖6所示。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)楊培等建立了基于弧焊機(jī)器人的典型零件柔性再制造系統(tǒng)，系統(tǒng)由測量、建模和離線編程三個(gè)子系統(tǒng)組成。對不同缺損程度的零件，采用弧焊機(jī)器人柔性修復(fù)系統(tǒng)能夠完成自動(dòng)識(shí)別、測量和定位，建立零件模型，通過對模型的處理生成熔敷修復(fù)程序，傳送至機(jī)器人，從而完成零件的修復(fù)。該硬件系統(tǒng)主要包括HRGH-4工業(yè)機(jī)器人、變位機(jī)、MIG/MAG焊機(jī)、激光視覺傳感器、DH-CG200圖像卡和PC機(jī)，采用該系統(tǒng)修復(fù)成形的軸類零件如圖7所示。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者在電弧熔敷增材修復(fù)制造領(lǐng)域已經(jīng)開展了大量的研究工作，主要涉及熱輸入和零件精度控制、零件測量建模和修復(fù)程序生成、工藝控制等方面，研究基礎(chǔ)逐漸鞏固，技術(shù)發(fā)展日益成熟。

3 電弧增材再制造技術(shù)發(fā)展

3.1 成形效率

影響電弧增材再制造成形效率因素包括送絲量、送絲速度、熔敷速度、熔覆功率、路徑規(guī)劃、工裝設(shè)計(jì)等。傳統(tǒng)的單絲熔覆工藝一般只能達(dá)到最多6 kg/h。很多研究機(jī)構(gòu)提出改進(jìn)送絲機(jī)構(gòu)和焊槍結(jié)構(gòu)，采用雙絲電弧熔覆工藝，通過優(yōu)化熔覆工藝參數(shù)可大大提高成形效率，最高可達(dá)30 kg/h?，F(xiàn)在國內(nèi)外在多絲熔覆成形工藝研究領(lǐng)域都是以雙絲電弧熔覆成形技術(shù)為基礎(chǔ)，發(fā)展迅猛。華中科技大學(xué)增材制造團(tuán)隊(duì)用多絲電弧增材方法制造出大型多向建筑結(jié)構(gòu)接頭與高強(qiáng)鋼大型筒體構(gòu)件，如圖8所示，達(dá)到較高的研究水平[7]。

3.2 成形精度

電弧增材制造因其熱輸入高、成形精度相對較低，存在一定局限性。為解決上述缺點(diǎn)，近年來研發(fā)出了多種為實(shí)現(xiàn)高速高效成形的技術(shù)。傳統(tǒng)機(jī)械加工方法具有成形尺寸精度高、加工柔性好、設(shè)備集成容易等特點(diǎn)，作為增材修復(fù)的后處理工藝，可去除成形層表面缺陷，提高表面光潔度和零件尺寸精度。因此，將電弧增材制造與減材加工有機(jī)結(jié)合，具有重要的實(shí)踐意義和廣闊的應(yīng)用前景。

Karunakaran等[8]提出了基于電弧焊和銑削的復(fù)合制造系統(tǒng)，將脈沖氣體保護(hù)焊機(jī)集成到一個(gè)三軸數(shù)控機(jī)床上，每堆積一層后，只進(jìn)行上表面銑削，直至近凈成形完成，最后再進(jìn)行外輪廓銑削以保證成形精度。國外研究機(jī)構(gòu)已將電弧增材應(yīng)用于整體壁板結(jié)構(gòu)的制造，并從原型階段逐步走向?qū)嵱没A段。整體壁板結(jié)構(gòu)通常由蒙皮和加強(qiáng)筋等構(gòu)成，不僅具有復(fù)雜的外形特征，同時(shí)還具有交錯(cuò)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖9所示[9-10]。

再制造技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究了縱向磁場作用下鋁合金電弧熔敷增材成形工藝，考察了不同函數(shù)近似表征成形焊道截面輪廓，分析縱向磁場對焊道外形尺寸、潤濕角的影響以及提高熔敷層成形精度的作用。結(jié)果表明：拋物線和正弦曲線能較好地表征成形焊道截面輪廓，電弧增材成形過程加入縱向磁場后，隨著勵(lì)磁電流的增加，焊道余高減小，熔寬增大，潤濕角逐漸減小，熔敷層平整度提高;當(dāng)勵(lì)磁電流為25 A時(shí)，表面平整度最高，成形精度最優(yōu)。

3.3 形性調(diào)控

在電弧增材再制造過程中，受到電弧熱循環(huán)作用，隨著堆積過程的不斷進(jìn)行，熱影響區(qū)的熱流場持續(xù)發(fā)生變化，出現(xiàn)熱累積，從而影響組織轉(zhuǎn)變、力學(xué)性能、應(yīng)力、變形。超聲振動(dòng)的聲學(xué)效應(yīng)和振動(dòng)效應(yīng)對增材過程電弧形態(tài)、熔滴過渡形式、微區(qū)熔池、焊道成形質(zhì)量、應(yīng)力狀態(tài)等都會(huì)產(chǎn)生作用;引入電磁場對移動(dòng)熔池產(chǎn)生攪拌作用，以期減少微觀缺陷，細(xì)化晶粒，改善修復(fù)層力學(xué)性能。因此，基于熱-力-聲-振-磁耦合的質(zhì)量調(diào)控技術(shù)將是未來促進(jìn)電弧增材再制造技術(shù)發(fā)展的重要方向。

4 結(jié)論

電弧增材再制造技術(shù)作為先進(jìn)制造之一，將在高附加值裝備零件修復(fù)領(lǐng)域發(fā)揮重大作用，它與云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)有機(jī)融合，產(chǎn)生巨大效能，促進(jìn)增材再制造技術(shù)發(fā)展。隨著智能材料的開發(fā)和普及，也將為按需成形、按需成性拓展更廣闊的空間。

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State-of-art of wire arc additive remanufacturing technology

ZHU Sheng，? DU Wenbo

（National Key Laboratory for Remanufactruing， Beijing 10072， China）

Abstract：? Wire arc additive remanufacturing technology is an important method for repairing damaged metal parts. The paper analyzed the connotation and characteristics of wire arc additive remanufacturing technology ， summarized the problems and research progress of wire arc additive remanufacturing technology in terms of forming accuracy， forming efficiency， shape and property control technology， etc. Finally， the direction of further development of this technology has been prospected.

Key words： arc welding; additive remanufacturing; repairing