電弧熔絲增材制造綜述：物理過程、研究現(xiàn)狀、應用情況及發(fā)展趨勢

李巖， 蘇辰， 張冀翔

(1.中國石油大學(北京)，北京102249；2.過程流體過濾與分離技術北京市重點實驗室，北京102249)

0 前言

增材制造技術(亦稱3D打印技術) 是《中國制造2025》國家戰(zhàn)略規(guī)劃的重點發(fā)展方向之一，被國家自然科學基金委員會、美國科學基金會等認為是20世紀制造技術的一項重大創(chuàng)新，并受到世界科技強國和新興國家的高度重視[1]。它集成了數(shù)字建模技術、機械加工技術和材料科學等諸多前沿科技，由計算機控制將材料逐層累加制造實體零件，不再依賴傳統(tǒng)機加工所需的刀具、夾具、模具和各種繁瑣的加工工序，可快速精密地制造出任意復雜形狀的零件，不僅縮短了加工周期，還極大節(jié)約了原材料，因而在航空航天、生物醫(yī)學、能源化工、微納制造等領域具有廣闊應用前景[2]。

國家制造強國建設戰(zhàn)略咨詢委員會發(fā)布的《中國制造2025》重點領域技術創(chuàng)新綠皮書針對增材制造提出重點突破具有系列原創(chuàng)技術的鈦合金、高強合金鋼、高強鋁合金、高溫合金等高性能大型關鍵構件高效增材制造工藝，重點發(fā)展激光、電子束、離子束及其它能源驅(qū)動的主流工藝裝備。過去20年以激光、電子束為熱源的粉基金屬增材發(fā)展迅速，但是這兩種技術裝備成本高，不適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，目前主要應用于成本較高的航空航天、軍工等高精尖領域。尤其是對于鋁、銅、鎂等一些高反射率金屬合金，激光熱源能量利用率低，而電子束熱源需要在真空空間操作，限制了加工件的體積[3]。因此，基于離子束的電弧熔絲增材制造越來越受到研究者關注[4-5]。該技術基于熔化極惰性氣體保護焊(MIG)、鎢極惰性氣體保護焊(TIG)、等離子弧焊(PAW)、冷金屬過渡焊(CMT)等焊接技術發(fā)展而來，可在現(xiàn)有的焊接行業(yè)進行改造，投資成本低，并且具有沉積效率高、材料利用率高、對零件尺寸限制少、零件易于修復等優(yōu)點[6]。

現(xiàn)今大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)領域的各種金屬結(jié)構件逐漸向大型化、整體化、智能化發(fā)展，傳統(tǒng)的鑄造、鍛造結(jié)合機加工的制造模式越來越呈現(xiàn)出效率低、成本高的弊端。WAAM熱輸入高，成形速度快，適用于大尺寸復雜構件低成本、高效快速近凈成形，具有其他增材技術不可比擬的效率與成本優(yōu)勢。它被歐洲航天局稱為一種低能耗、可持續(xù)的綠色環(huán)保制造技術，受到國內(nèi)外工業(yè)界的高度重視，許多政府機構、大學、科研院所、企業(yè)紛紛投入人力、財力和物力進行重點研究，力爭在WAAM領域占據(jù)先機。

1 WAAM工藝系統(tǒng)及物理過程

WAAM是一項跨學科的前沿科學技術，涵蓋了材料科學、工程熱物理、焊接加工和機械自動化與控制等多學科問題。其工藝系統(tǒng)較為復雜，如圖1所示[7]，包含了計算機控制單元、電弧焊機、焊接機器人、焊槍、基板等多個單元。

圖1 WAAM技術工藝系統(tǒng)

WAAM目前主要用于制造幾何形狀及結(jié)構較為簡單的零件，成形精度低，一般都需要機械再加工。這一方面由于其工藝系統(tǒng)需要多個單元的精確配合，另一方面是由于其物理過程復雜。該技術以高溫液態(tài)金屬熔滴過渡的方式進行，零件熱積累隨堆積層數(shù)增加，熔池不易凝固，堆積層形狀難于控制。尤其在零件的邊緣，熔池處于弱拘束狀態(tài)，流動性較高，使得零件的邊緣形態(tài)與尺寸控制困難。

圖2展示了WAAM的物理過程，涉及了電弧與焊絲間的傳熱、焊絲熔化及熔滴形成、熔滴下落及與基板碰撞、凝固成形等多個物理過程，每個過程都可能對最后的成形精度和產(chǎn)品性能產(chǎn)生重要影響。這些過程既包含了質(zhì)量、動量和能量的多重傳遞，也跟電弧熱源中的電場和磁場等多物理場作用相關。同時，該過程不斷發(fā)生非平衡快速熔化/凝固，材料微觀組織結(jié)構動態(tài)演變，繼而對材料宏觀物性和力學特性產(chǎn)生重要影響。從上述分析可以看出，WAAM中每一個物理過程都對成形質(zhì)量產(chǎn)生重要作用，而且該技術還包含了從微觀尺度到宏觀尺度的多尺度關聯(lián)問題，因此需要深入研究其物理機理。

圖2 電弧熔絲增材制造的物理過程

2 WAAM國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前WAAM主要處于試驗設計與探索階段，研究者開發(fā)各種裝備系統(tǒng)，測試不同系統(tǒng)下的成形基本規(guī)律和相關影響因素，積累工程應用經(jīng)驗。當前研究主要集中在電弧增材裝備系統(tǒng)研發(fā)、過程監(jiān)測與控制、微觀組織性能和缺陷、成形工藝與參數(shù)分析等方面，詳細的進展綜述如下。

2.1 WAAM裝備系統(tǒng)研發(fā)

WAAM最早可追溯至1925年美國西屋電器的Baker等人首次以電弧為熱源通過金屬熔滴逐層沉積的方式制造3D金屬物的專利。但是其后并未受到太多重視，直到20世紀90年代中期，英國克蘭菲爾德大學應用WAAM技術為著名航空發(fā)動機公司羅爾斯-羅伊斯成功制造出飛機發(fā)動機高溫合金機匣，國內(nèi)外研究機構才開始重視該技術，開辟了金屬增材制造的又一研究方向。

WAAM主要由電弧焊接系統(tǒng)和焊接機器人或數(shù)控機床構成，數(shù)控機床多作為形狀簡單、尺寸較大的大型構件成形；焊接機器人具有更多的運動自由度，與數(shù)控變位機配合，在成形復雜結(jié)構及形狀上更具優(yōu)勢。表1介紹了國內(nèi)外WAAM研究機構的裝備系統(tǒng)。可知，英國克蘭菲爾德大學是WAAM技術的前沿領導者，他們開發(fā)了基于TIG，PAW和CMT的多套成形裝備系統(tǒng)，國內(nèi)外其它研究機構也開發(fā)了電弧焊接+機器人/數(shù)控機床的裝備系統(tǒng)。WAAM系統(tǒng)中熱源往復移動，與成形環(huán)境發(fā)生強烈瞬時傳熱作用，熔池變化劇烈，導致成形過程不穩(wěn)定，尺寸精度較低。開發(fā)出更加穩(wěn)定成形的裝備系統(tǒng)以保證尺寸精度是WAAM的研究方向之一。

表1 國內(nèi)外WAAM研究機構的裝備系統(tǒng)

2.2 過程監(jiān)測與控制

為了實現(xiàn)電弧增材制造過程的精確控制，必須進行堆積狀態(tài)的實時檢測、反饋與在線控制，這也成為WAAM研究的一個熱點。一些研究者采用激光視覺傳感系統(tǒng)對熔覆層形貌特征進行監(jiān)測[16-17]，不過檢測過程存在滯后性。另有研究者采用更簡便的被動視覺傳感檢測，無需外加輔助光源，直接利用弧光照明檢測區(qū)域，其中CCD傳感器被廣泛用來監(jiān)控電弧弧長、液態(tài)熔池形貌、堆積層高度和寬度等重要參數(shù)[18-19]。此外，還有研究者[20-21]通過檢測電弧電壓、電流信號，以此識別成形狀態(tài)，并對焊接工藝參數(shù)進行調(diào)控，保證成形尺寸要求。

電弧增材制造過程影響因素眾多，如熔滴過渡、溫度場分布、熔池形態(tài)、散熱條件等都處于動態(tài)變化之中，需要繼續(xù)開發(fā)簡便快捷的方法監(jiān)測堆積形貌和尺寸，并設計自動控制系統(tǒng)對工藝參數(shù)實時調(diào)節(jié)，而目前針對實時自動調(diào)控系統(tǒng)的研究較少，這是一個需要加強探索的方向。

2.3 微觀組織性能和缺陷

電弧的熱輸入較高，已成形構件受到熱源往復加熱，成形過程熱積累較高，會產(chǎn)生多種缺陷，如孔隙、高殘余應力和開裂，特別是對于暴露在極端環(huán)境中的零件，這些缺陷會導致失效，如高溫疲勞。某些材料容易受到特定缺陷的影響，如鈦合金的嚴重氧化、鋁合金的孔隙、雙金屬部件的嚴重變形和裂紋等。因此，WAAM形成件微觀組織和力學性能的研究一直是該領域的關注焦點。研究人員針對不同材料進行增材制造，檢測其顯微組織和力學性能。鈦合金材料[22-23]、鋁合金材料[24-25]、鎳合金材料[26-27]是目前最受關注的研究材料。此外，2Cr13，Cr-Ni不銹鋼、鐵鋁、銅鋁、鐵鎳、鐵銅等雙金屬材料也受到了一定程度的關注[28-29]。

2.3.1殘余應力和變形

殘余應力可導致零件變形、形位公差損失、沉積過程中分層以及部件的疲勞性能和斷裂抗力惡化。Ding等人[30]發(fā)現(xiàn)，殘余應力均勻地分布在WAAM沉積壁上，前一層的殘余應力對后一層的影響很小。但松開夾緊裝置后，頂部應力比基板的界面處低得多，從而導致組件彎曲變形。由于材料的熱膨脹差異，雙金屬構件表現(xiàn)出較高的殘余應力和變形，在使用雙金屬材料時，需要精確的層間溫度控制。鉻鎳鐵合金具有相對較低的殘余應力，但它更容易受到分層、屈曲和翹曲等工藝缺陷的影響，因為其殘余應力通常高于屈服應力[31]。賈金龍等人[32]基于溫度函數(shù)法建立了鋁合金電弧增材制造的有限元模型，對制造過程的殘余應力和變形進行了計算，大大縮短了傳熱分析時間。研究顯示一些后處理方法可以有效緩解殘余應力和變形，Colegrove等人[33]指出軋制處理可以細化WAAM成形件的組織，降低其殘余應力和表面粗糙度。Martina等人[34]在Ti-6Al-4V材料的WAAM成形過程中，每道沉積層都采用了高壓軋制，顯著減少了變形與殘余應力。

2.3.2孔隙

孔隙是WAAM加工中的另一個常見缺陷，它會導致零件的機械強度降低，還會使沉積層形成較低的疲勞性能。一般來說，這類缺陷主要分為原材料引起的缺陷[35]和工藝引起的缺陷[36]。WAAM原材料通常具有一定程度的表面污染，這些污染物很容易被吸收到熔池中，并在凝固后產(chǎn)生孔隙。在常見的工程材料中，鋁合金最容易出現(xiàn)這種缺陷。工藝導致的孔隙主要是由于路徑規(guī)劃不當或沉積過程不穩(wěn)定造成的。當沉積路徑復雜或制造工藝多變時，容易產(chǎn)生不充分的熔合或飛濺，從而在這些受影響區(qū)域產(chǎn)生間隙或空隙。Ge等人[37]采用數(shù)值模擬和試驗表征相結(jié)合的方法，探討了2Cr13零件熱歷史與非均勻微孔的內(nèi)在聯(lián)系。

2.3.3開裂和分層

開裂和分層不僅涉及到制造過程的熱特征，而且還涉及到沉積層的材料特性。通常，WAAM組件開裂屬于凝固裂紋或晶界裂紋[38]。雙金屬材料組合，如Al/Cu，Al/Ti和Al/Fe，在采用WAAM工藝制造時極易開裂和分層。此外，因鉻鎳鐵合金容易產(chǎn)生凝固裂紋問題，因為在最終凝固時存在液膜[39]。

2.4成形工藝與參數(shù)分析

WAAM技術涉及了極為復雜的多學科綜合問題，針對各學科各因素的研究方向非常多，但成形工藝非常關鍵，因其本質(zhì)可以看作金屬材料在電弧熱作用下的快速熔化和凝固過程，微觀組織結(jié)構和力學性能都跟熱物理過程密切相關。該過程涉及大量的傳熱、傳質(zhì)及兩者的耦合問題，這也是WAAM研究急需突破的方向。

目前的研究主要通過大量試驗手段，針對不同的材料體系和不同的焊接工藝，考察影響成形件精度和表面形貌的關鍵因素。學者們比較關注的因素有焊接速度、焊絲直徑、送絲速度、電流、弧長、層間溫度、基板溫度、焊道間距等。Escobar-Palafox等人[40]采用統(tǒng)計方法探討了鎢極氣體保護焊接工藝參數(shù)對成形件參數(shù)影響規(guī)律。Ouyang 等人[9]采用變極性GTAW制造了鋁合金零件，發(fā)現(xiàn)基板的預熱、焊接弧長及焊接熱輸入的精確控制對成形具有關鍵作用。尹玉環(huán)等人[41]研究了道次間冷卻時間和不同層間冷卻時間對鋁合金增材成形的影響，發(fā)現(xiàn)冷卻時間對成形效果有重要影響。柏久陽等人[42]建立了焊道間距計算模型，研究了單層多道結(jié)構的表面形貌與單條焊道形貌、焊道間距和焊道數(shù)目的關系。從保強等人[43]發(fā)現(xiàn)控制送絲速度和焊接速度比可實現(xiàn)對鋁合金增材成形高度和寬度的有效控制。Li等人[44]提出了一種新型的多點支撐固定系統(tǒng)(FMSF)，能夠動態(tài)調(diào)控加工面和約束力，進而實現(xiàn)加工過程中的動態(tài)變形控制。

一些研究者針對多層焊道時熱積累問題進行研究[45]，提出了調(diào)控工藝參數(shù)[46-47]或增加外部輔助制冷[48-49]的控制方案。為了能夠達到較強的熱、質(zhì)解耦調(diào)控效果，一些多電極電弧熱源[50-51]在增材制造中得到了初步應用。山東大學新近開發(fā)的一種強制收縮WAAM工藝防止過熱輸入，能夠產(chǎn)生均勻微觀結(jié)構和細晶粒[52]，展現(xiàn)了較好的應用潛力。

當前制約WAAM發(fā)展的一個瓶頸是基礎研究較為薄弱，對于整個過程的物理機理缺少定量的理論認識。國內(nèi)外公開發(fā)表的關于WAAM傳熱傳質(zhì)基礎理論的文章很少，僅對電弧物理特性[53]、熔池內(nèi)傳熱與流動[54-55]、熔池溫度場和熱應力變化[56]等物理過程進行了少量宏觀尺度的模擬，缺少多學科多尺度的綜合系統(tǒng)研究。

3 WAAM應用情況

國外在WAAM領域研究起步早，特別是英國在電弧增材制造領域處于國際前沿，以克蘭菲爾德大學為代表的一批研究機構在政府和企業(yè)出資下，針對電弧增材系統(tǒng)裝備、成形件力學性能、殘余應力及變形控制和復雜形狀構件成形路徑規(guī)劃等方面開展了大量研究，推動了WAAM的工業(yè)化應用。他們利用WAAM技術成功制造出了飛機機翼翼梁和起落架支撐外翼肋等大型框架構件，如圖3所示[57]，其制造的鈦合金構件力學性能達到鍛件水平, 應用該技術制造的部分構件比傳統(tǒng)機加工節(jié)省約78%的原材料[58]。此外，他們還利用WAAM 技術制造了鋁合金零件，如圖4所示[57]，處于國際領先水平。

圖3 英國克蘭菲爾德大學WAAM制造的鈦合金部件

圖4 克蘭菲爾德大學WAAM制造的鋁合金筒體和封頭

挪威 Norsk Titanium公司采用該技術已為空中客車A350飛機和波音787 Dreamliner飛機提供鈦合金零部件，如圖5所示，其WAAM鈦合金技術獲得了美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)的TRL 8級認證。

圖5 挪威Norsk Titanium公司W(wǎng)AAM制造的零件

電弧熔絲增材制造當前主要應用于航空、航天和軍工等領域，但是隨著技術的發(fā)展，其在油氣行業(yè)的商業(yè)價值也開始顯示出來。大口徑、高強度厚壁三通管件制造一直都是我國高壓長輸管線建設的瓶頸之一，中國石油集團石油管工程技術研究院聯(lián)合南方增材科技有限公司，在國內(nèi)首次將WAAM制造技術應用于高鋼級、大口徑厚壁三通管件的制造，克服了傳統(tǒng)制造方法的壁厚壁壘，產(chǎn)品性完全滿足中俄東線低溫環(huán)境用X80熱擠壓三通管件的標準要求。

國內(nèi)西北工業(yè)大學、華中科技大學、哈爾濱工業(yè)大學、北京航空航天大學、首都航天機械有限公司等單位也開展了WAAM 技術研究，并成功試制了許多零部件，如圖6和圖7所示。但總體來說，國內(nèi)的WAAM在產(chǎn)業(yè)化應用方面還處于起步階段，與先進國家相比還存在一定的差距，需要大力推動該方向的研究。

圖6 華中科技大學WAAM制造的多向接頭

圖7 首都航天機械有限公司W(wǎng)AAM制造的殼體部件

4 結(jié)束語

綜合上述分析可以看出，WAAM研究以試驗測試為主，學者們搭建不同的裝備系統(tǒng)測試成形基本規(guī)律和主要影響因素，在電弧增材裝備系統(tǒng)研發(fā)、過程檢測與控制、微觀組織性能和缺陷、成形工藝因素等方面取得了較多的進展，但是在產(chǎn)業(yè)化應用領域還有一定的距離。今后需要繼續(xù)開發(fā)出更加穩(wěn)定成形的裝備系統(tǒng)以保證尺寸精度，開發(fā)簡便快捷的方法監(jiān)測堆積形貌和尺寸，并設計自動控制系統(tǒng)對工藝參數(shù)實時調(diào)節(jié)。

目前學者們關注的重點在于成形件組織性能和成形工藝設計開發(fā)，但是WAAM基礎研究較為薄弱，對于整個過程的物理機理缺少定量的理論認識，特別是針對WAAM過程傳熱傳質(zhì)的基礎研究十分缺乏。成形工件的微觀組織瞬態(tài)演變和宏觀力學性能都跟傳熱傳質(zhì)過程密切相關，亟需準確系統(tǒng)的理論和模擬研究促進該技術的發(fā)展，為WAAM成形制造提供精細化指導。

國內(nèi)電弧增材制造仍處于起步階段，與先進國家相比還存在較大差距，而當前WAAM基礎研究尚未在國際上廣泛開展，盡快開展 WAAM基礎研究才能與先進國家處于同一起跑階段，甚至是領跑階段，基礎研究是推動這項技術不斷發(fā)展和優(yōu)化的核心動力。