国内电弧增材制造技术的研究现状与展望

国内电弧增材制造技术的研究现状与展望

严连菊 1，傅存海 2

1南方增材科技有限公司，广东 佛山 528222

2中铁广州工程局集团城轨工程有限公司，广州 511458

摘要：本文简述了电弧（电熔）增材制造技术特点、优势和发展历史，详细分析了国内在电弧增材制造工艺、质量控制、电弧增材制造材料性能三方面的研究情况，并基于目前的研究现状，提出了电弧增材制造技术在制造工艺、质量控制和材料性能三方面研究的建议。

关键词：电弧增材制造，研究现状，展望

1. 引言

增材制造，是一种新型的金属“降维”制造工艺，通过对三维数字模型进行分层切片处理，再按照预先规划好的路径将材料逐层累加的制造方式，是一种自下而上，化零为整的制造方法，在复杂结构零部件制造方面有很大优势。电弧增材制造(Arc welding additive manufacturing，简称WAAM)技术，也称为电熔增材制造技术（Electrical additive manufacturing，简称EAM ）是采用电弧为热源的增材制造技术，通过熔化金属丝材或粉末，逐层堆积出金属零部件的制造方法，具有丝材利用率高、生产效率高，成本底，零件的尺寸不受成形缸或真空室的限制，易于修复零件等优点。和传统的铸造、锻造技术相比，制造过程无需模具，整体制造流程短，制造周期短，柔性化程度高，易于实现数字化、智能化，对设计的响应快，可实现零部件的拓扑优化设计，在小批量、复杂构件的个性化定制方面具有很大技术和成本优势。

20世纪70年代，德国学者提出了电弧增材制造的概念，并采用该技术制造了一金属容器。20世纪80年代，美国使用等离子弧焊、熔化极气体保护焊技术制造出了镍基合金金属构件，20世纪90年代，随着增材制造技术的发展，电弧增材制造技术也得到了空前的发展，在装备、工艺及材料性能研究方面均取得了很大突破。

2. 电弧增材制造技术研究现状

目前国内外用于WAAM制造的电弧种类主要为熔化极气体保护焊（GMAW），钨极惰性气体保护焊（GTAW）、等离子弧焊（PAW）等，尤其是配以冷金属过度的熔化极气体保护焊，因其热输入小，电弧稳定性好等特点，得到了广泛发展和应用。今年来，国内各大高校针对电弧增材制造的研究也在不断深入，主要集中在成形控制、过程监控和成形件性能研究等方面。

1. 1. 工艺与成形研究

电弧增材制造在制造过程中液态熔池较大，电弧的可控性难，故成形控制是电弧增材制造的发展的主要瓶颈之一。电弧增材制造的在成形设备方面，主要有两种方式，一种是焊接设备与多功能数控机床复合，另一种是焊接设备与多轴机械手复合，实现柔性制造。成形控制方面的研究主要集中在工艺优化、过程监控以及实时反馈等方面，在工艺优化环节主要是通过实验，针对不同的增材方法，研究合适的工艺参数，例如打印速度，丝径，送丝速度，电流，电压等。沈泳华^[1]研究了以KUKA焊接机器人和Fronius数字化焊机为主要设备的GMAW冷金属过渡电弧增材制造系统和成形规律，采用“反切削法”实现了电弧增材制造成形路径规划系统，并研究了不同工艺条件下的表面成形质量。熊俊^[2]研究了单道熔化极气体保护增材制造的工艺特性和成形质量，表明熔敷电流是决定成形形貌的决定因素，良好的成形电流区间为100~180A。柳建等人^[3]采用逐层横向偏移焊枪的方式成形倾斜面，揭示了工艺参数对堆焊成形极限倾斜角的影响规律，结果表明极限倾角是由熔滴的表面张力、悬空部分自重力和电弧力平衡的结果。电流大小决定表面成形情况成形，极限倾角为45⁰。

1. 2. 质量检测方面的研究

建立可靠的内部缺陷无损检测方法是增材制造技术实现工程应用基础，鉴于增材制造技术的特点，成形和成性在同一时空完成，且其内部质量们无法在后续工序检测，只能通过破坏性检测或在使用过程中发现，故增材制造的过程监控和过程质量检测尤为重要。基于增材的技术特点，其内部缺陷应采取主动控制。无损检测技术一般分为在线检测(过程中检测)和事后检测两种。良好的在线检测是实现内部缺陷的主动控制前提。在线检测可以及时发现缺陷，采取及时的补救措施，形成闭环控制。与事后检测相比，可以降低补救难度，节省时间。在线检测目前有两种方法，其一是在线监测，通过监测制造过程特征参数来评价过程的稳定性，进而间接判断增材制造件的内部质量，常见的方法有熔池尺寸监测、熔池温度监控等，其二是在线无损监测，直接将无损监测技术如超声波技术、视觉监测、温度场监测技术运用到在线过程，直接检测是否存在缺陷。刘磊^[4]以分散检测为出发点的永磁扰动检测方法，该方法可以成功检测出宽度0.3mm的开放性缺陷，直径0.8mm的内部气孔以及埋藏深度3mm，直径1mm的内部缺陷。袁久鑫等人^[5]了通过仿真与实验的方法，研究了激光超声的内部缺陷深度检测，研究表明该方法可以检测出最大深度10mm处1mm的圆形缺陷，随着缺陷尺寸的减小，检测深度降低。目前的电弧增材制造内部质量检测主要集中在制造过程中的研究，以在线特征参数监测和在线无损检测为主，对于缺陷容限、评价标准等方面的研究鲜有报道。

1. 3. 材料性能方面的研究

增材制造是将传统制造方式的材料制备和部件制造工序结合在了增材一个工序中，以小熔池，微冶金，快速凝固，实现材料制备和部件制造，过程中小熔池的结晶冷却速度极快，其结晶条件和传统钢锭的结晶条件存在很大差异，且材料经历了多次不平衡热循环，最终交货状态一般为消应力状态，故在性能方面和传统的铸、锻也存在较大差异。笔者研究了电熔增材制造EAM08CrMo的性能，表明电弧增材制造EAM08CrMo具有良好的机械性能，尤其是冲击韧性，机械性能在宏观上没有厚度效应和方向性^[6]。张亚斌等研究了热处理参数对增材制造反应堆压力容器用钢16MND5材料性能的研究，表明电熔增材制造过程中材料残余应力对材料性能有较大影响，消应力处理可以较好的消除内部残余应力，改善材料性能^[7]。王小彬等研究了EAM16MND5微观组织和性能的，表明EAM16MND5满足核电规范RCC-M的标准要求，奥氏体晶粒度可达9.5级^[8]。周高斌等研究了EAM16MND5的热老化性能，表明EAM16MND5经过450℃，3000H时效处理后，组织稳定，强度略有提升，裂纹扩张能量降低^[9]。电弧（电熔）增材制造材料具有优异的性能，针对材料物理特性、疲劳、断裂韧性等方面的研究尚无报道，研究尚未成体系。

3. 建议与展望

电弧增材制造技术的研究地，在过去几年取得了很大突破，2018年初，南方增材制造的SAP制冷机端盖（图1）安装到了大亚湾核电站，实现了电熔增材制造件的首次工程应用，该示范应用给电弧增材制造的发展也带来了更多希望。为了电弧增材制造技术更好的为制造业赋能，取得更广泛的工程应用，提出如下建议：

在成形及工艺研究方面，目前的研究主要集中在工艺参数对成形精度的研究方面，建议加强路径控制程序方面数字化、自动化研究，从部件整体出发规划路径，优化成形方式，提升制造精度。

在

图 1电熔增材制造SAP制冷机端盖

质量控制方面，其一建议建立电弧增材制造过程中工艺特征参数和内部质量关系的数据库，提升过程监控的精准度。其二建议从材料的应用情况入手，开展电弧增材材料内部缺陷的演化行为，逆向研究电弧增材材料在各种应用环境下的缺陷容限量，为制定电弧增材制造材料内部质量评价最好技术准备。其三建议进一步开展电弧增材制造内部缺陷的形成机理，为实现制造过程中内部缺陷的主动控制，减少内部缺陷，改善内部质量提供依据。

在性能研究方面，建议加强电弧增材制造材料的基础研究，开展电弧增材制造材料显微特征及其演化规律方面的研究，为进一步开展各项宏观性能的研究提供科学依据，并为制定电弧增材材料评价体系打好技术基础。

工作简历：

主要从事焊接技术、电熔增材制造工艺、材料研发工作

参考文献

1[?]沈泳华.电弧增材制造成形系统设计和成形规律研究[D].南京：南京航空航天大学，2017

2[?] 熊俊.多层单道GMA增材制造成形特性及熔敷尺寸控制[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014

3[?]柳建，朱胜，殷凤良，等．工艺参数对堆焊熔敷成形极限 倾角的影响规律[J]．沈阳工业大学学报，2012，34(5)：515—5 19．

4[?] 刘磊.电弧熔积增材过程中在线检测的研究与实现[D].武汉：华中科技大学，2016.

5[?] 袁久鑫，秦训鹏，张进鹏，等.基于激光超声的电弧增材制造内部缺陷深度检测[J].中国机械工程，2020

6[?]严连菊. 电熔增材制造EAM08CrMo 钢性能研究[J].电焊机.2019,49(4):111-215

7[?] 张亚斌，严连菊，罗英，等.热处理参数对电熔增材材料EAM16MND5组织和性能的研究[J].电焊机.2019,49(4):212-215

8[?]王小彬，张亚斌，谢常胜，等. 电熔增材制造反应堆压力容器用16MND5 钢的组织与力学性能[J].金属热处理，2019，44（4）：141-145

9[?] 周高斌，谢常胜，罗英，等.热老化对电熔增材制造材料EAM16MND5组织和力学性能的研究[J].电焊机.2019,49(4):67-72