【解析】電弧增材制造研究現(xiàn)狀及在航空制造中應用前景

電弧增材制造采用逐層堆焊的方式制造致密金屬實體構件，因以電弧為載能束，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。面對新一代飛行器制造成本及可靠性要求，其結構件逐漸向大型化、整體化、智能化發(fā)展，電弧增材制造技術在大尺寸航空結構件成形上具有其他增材技術不可比擬的效率與成本優(yōu)勢.

增材制造技術是基于離散-堆積原理，由零件三維數(shù)據(jù)驅動，采用材料逐層累加的方法制造實體零件的快速成形技術。該成形方法最大優(yōu)勢是無需傳統(tǒng)的刀具即可成形、降低工序、縮短產(chǎn)品制造周期，尤其適于低成本小批量產(chǎn)品制造，而 且越是結構復雜、原材料附加值高的產(chǎn)品，其快速高效成形的優(yōu)勢越顯著，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。 面對新型飛行器低成本、高可靠性的要求，其零部件逐漸向大型化、整體化發(fā)展 。
增材制造技術無需 模具， 可直接低成本一體化制造復雜構件， 并有望基于增材制造技術在構型能力上的優(yōu)勢， 進一步優(yōu)化現(xiàn)飛行器零部件結構， 提高結構效率，實現(xiàn)結構輕量化、高性能化。由于簡化或省略了傳統(tǒng)制造中的工藝準備、模具 設計等環(huán)節(jié)，產(chǎn)品數(shù)字化設計、制造、分析高度一體化，能夠顯著縮短研發(fā)周期和研發(fā)成本。 金屬增材制造技術按熱源類型可分為3類：激光、電子束和電弧。

過去20年主要研究以激光、電子束為熱源的粉基金屬增材制造技術，通過不斷熔化或燒結金屬粉來連續(xù)逐層制備復雜結構零部件，現(xiàn)已應用于航空航天、國防軍工、能源動力等高精尖技術領域部分關鍵零部件，但由于其原材料、熱源特點，金屬粉基激光、電子束增材制造技術在成形某些特定結構或特定成分構件時受到一定限制而無法實現(xiàn)或即使可以成形，其原材料、時間成本很高，具有諸多不足之處：

（1）對于激光熱源，其成形速率慢、鋁合金對激光的吸收率低等；
（2）對于電子束熱源，真空爐體尺寸對構件體積的限制；
（3）粉基金屬原材料制備成本較高、易受污染、利用率低等均增加了原料成本。

基于上述原因，現(xiàn)有的技術成形大尺寸復雜結構件時表現(xiàn)出一定的局限性，為了應對大型化、整體化航天結構件的增材制造需求，基于堆焊技術發(fā)展起來的低成本、高效率電弧增材制造技術受到部分學者關注。電弧增材制造技術以電弧為載能束，采用逐層堆焊的方式制造金屬實體構件，該技術主要基于TIG、MIG、SAW等焊接技術發(fā)展而來，成形零件由全焊縫構成，化學成分均勻、致密度高，開放的成形環(huán)境對成形件尺寸無限制，成形速率可達幾kg/h，但電弧增材制造的零件表面波動較大，成形件表面質量較低，一般需要二次表面機加工，相比激光、電子束增材制造，電弧增材制造技術的主要應用目標是大尺寸復雜構件的低成本、高效快速近凈成形。 本文主要介紹電弧增材制造技術現(xiàn)狀，分析現(xiàn)階段該技術研究的不足之處，探討其可能的發(fā)展方向，闡述該技術在大型化、整體化高端航空零部件制造中的應用。

WAAM技術現(xiàn)狀
1   WAAM裝備系統(tǒng)
1.1   基本硬件構成及特征

電弧增材制造是數(shù)字化連續(xù)堆焊成形過程，其基本成形硬件系統(tǒng)應包括成形熱源、送絲系統(tǒng)及運動執(zhí)行機構。電弧增材制造三維實體零件依賴于逐點控制的熔池在線、面、 體的重復再現(xiàn)，若從載能束的特征考慮，其電弧越穩(wěn)定越有利于成形過程控制，即成形形貌的連續(xù)一致性。因此，電弧穩(wěn)定、無飛濺的非熔化極氣體保護焊（TIG）和基于熔化極惰性/活性氣體保護焊（MIG/MAG）開發(fā)出冷金屬過渡（Cold Metal Transfer, CMT）技術成為目前主要使用的熱源提供方式。

作為由點向三維方向擴展的運動執(zhí)行機構，其位移與速度、位置的重復定位精度、運動穩(wěn)定性等對成形件尺寸精度的影響至關重要，目前使用較多的是數(shù)控機床和機器人。數(shù)控機床多作為形狀簡單、尺寸較大的大型構件成形，機器人具有更多的運動自由度，與數(shù)控變位機配合，在成形復雜結構及形狀上更具優(yōu)勢，但基于TIG的側向填絲電弧增材制造因絲與弧非同軸，如果不能保證送絲與運動方向的相位關系，高自由度的機器人可能并不適合，所以機器人多與MIG/MAG、CMT、TOP-TIG等絲弧同軸的焊接電源配合搭建電弧增材成形平臺。

在國內外電弧增材相關研究機構的報道中，所采用的成形系統(tǒng)如表1所示。相比TIG、MIG/MAG、PAW等，CMT具有低熱輸入、無飛濺等特點。此外，其送絲運動與熔滴過渡過程可進行數(shù)字化協(xié)調，在物質輸入方面具有更高的可操控性，可能會成為將來電弧增材制造的主要熱源方式。 總體而言，電弧增材制造載能束 具有熱流密度低、加熱半徑大、熱源 強度高等特征，成形過程中往復移動的瞬時點熱源與成形環(huán)境強烈相互作用，其熱邊界條件具有非線性時變特征，故成形過程穩(wěn)定性控制是獲得連續(xù)一致成形形貌的難點，尤其對大尺寸構件而言，熱積累引起的環(huán)境變量變化更顯著，達到定態(tài)熔池需要更長的過渡時間。針對熱積累導致的環(huán)境變化，如何實現(xiàn)過程穩(wěn)定性控制以保證成形尺寸精度是現(xiàn)階段電弧增材制造的研究熱點�；�于視覺傳感系統(tǒng)的焊接質量在線監(jiān)測與控制技術首先被移植應用于該領域，并取得了一定成果。

1.2   成形過程穩(wěn)定性硬件系統(tǒng)
電弧增材成形采用逐層累加的方式構建三維實體零件，保證形狀、尺寸精度，需要單層成形尺寸與三維數(shù)字化模型建立的分層切片數(shù)據(jù)一致，但在實際成形過程中，熱積累作用導致熔池體系熱邊界環(huán)境非線性時變，故實現(xiàn)自動化電弧增材制造系統(tǒng)除了以上的基本成形硬件條件外，還需要能夠對每一沉積層的表面形貌、質量及尺寸精度進行在線監(jiān)測和控制。

WAAM增材制造是以高溫液態(tài)金屬熔滴過渡的方法通過逐層累積的方式成形的，成形過程中隨著堆焊層數(shù)的增加，成形件熱積累嚴重、散熱條件變差，以至于熔池凝固時間增加，熔池形狀難于控制，尤其是在零件邊緣，由于液態(tài)熔池的存在，邊緣形貌與成形尺寸的控制更加困難，即熱積累作用導致熔池體系熱邊界環(huán)境非線性時變，故實現(xiàn)自動化電弧增材制造系統(tǒng)除了以上的基本成形硬件條件外，還需要能夠對每一沉積層的表面形貌、質量及尺寸精度進行在線監(jiān)測和控制。

在焊槍處安裝紅外溫度傳感器的被動反饋式層間溫度控制方式，強烈依賴于人為目標參 數(shù)的設置，而直接以熔覆層的形 貌尺寸特征作為信號源，通過實時在線監(jiān)測尺寸信息，實現(xiàn)反饋調節(jié)可能更可取。如圖1所示，美國Tufts大學Kwak等建立了利用MIG焊 槍進行堆焊成形，等離子槍在線熱處理，通過兩套結構光傳感器對熔覆層形貌特征進行監(jiān)測，以及一套紅外攝像機用于成形件表面溫度在線監(jiān)測的雙輸入輸出閉環(huán)控制系 統(tǒng)，以焊速和送絲速度作為 控制變量，熔覆堆高和層寬 作為被控變量，實現(xiàn)對成形 過程中成形尺寸的實時閉環(huán)控制。國內張廣軍等設計了一套用于焊道特征尺寸控制的 雙被動視覺傳感系統(tǒng)，如圖 2所示，可同時獲得熔敷層 寬度和焊槍到熔敷層表面的高度圖像，實現(xiàn)了熔敷層有效寬度、堆高等參數(shù)的在線準確檢測，并以熔敷層有效 寬度為被控變量，焊速為控 制變量，設計了單神經(jīng)元自學習PSD控制器，通過模擬仿真和干擾試驗驗證了控制器性能。

參數(shù)自學習PSD 控制器在熔敷層定高度、變 高度控制中均可獲得良好的控制效果，同時通過對熔敷 層表面到焊槍噴嘴的距離進行監(jiān)測和自適應控制，滿足了WAAM成形穩(wěn)定性的要求。 WAAM載能束熱輸入高、熱源 半徑大、金屬熔體短程流動等特征決定了成形尺寸對工藝參數(shù)具有較弱的響應靈敏度，而且溫度越高越顯著，與焊接過程焊縫質量的在線監(jiān)測目的不同，WAAM過程的監(jiān)測與反饋控制目的在于控形，而其寬泛的工藝規(guī)范帶使得這一反饋控制可能無法取得立竿見影的效果，故在提高成形精度上不能行之有效。

WAAM的應用是“近凈成形”、“原型制造”，其追求的是低成本、高效率而非高精度，所以對成形精度要求并不苛刻（需要2次機加工）。此外，該系統(tǒng)需在焊槍周圍輔助復雜的光路系統(tǒng)，光路干涉嚴重約束了焊槍的可達性，而從該技術自身特征出發(fā)，通過揭示成形機理，優(yōu)化工藝，可能更適于簡單、高效、低成本的電弧增材制造。

2   成形過程穩(wěn)定性的工藝控制
不同于激光及電子束，電弧增材制造的熔池體積較大，而且成形過程中因冷態(tài)原材料、電弧力等擾動因素的存在，使得熔池成為一個不穩(wěn)定的體系，但WAAM能夠成為增材制造的先決條件是成形過程必須使得熔池體系具備穩(wěn)定的重復再現(xiàn)能力。在初期試驗規(guī)律性研究階段，主要基于電弧焊接技術，針對不同材料體系匹配不同的焊接方法及成形系統(tǒng)，甄選出關鍵影響因子，采用試驗方法研究單層單道焊縫形狀與最終成形零件表面質量的關系，建立起成形質量與焊接關鍵工藝參數(shù)的關系，如焊速（TS）、焊絲直徑（WD）、送絲速度（WFS）、導電嘴端面與工件距離（CTWD）、層間溫度、電流、電壓等。  在基于TIG的堆焊成形過程中，熔滴向熔池過渡的穩(wěn)定性對于成形質量至關重要，電弧挺度弱于激光、電子束等高能束，已堆焊沉積層形貌質量對下道次的堆焊表面影響較大，上一道次形貌特征在WAAM成形技術中表現(xiàn)出特定時、空非連續(xù)“遺傳”特性，尤其是首道次成形，因基板的表面質量、清潔度、加工狀態(tài)等不盡相同，因此首道次成形時應采用“強工藝規(guī)范”來弱化基板對成形質量的影響。圖3對比分析了在大電流、相對較高的送絲速度下首道次TC4合金成形形貌特征，送絲速度WFS=10m/min時，首道次成形表面的“隆起”、“凹陷”缺陷較弱，成形 寬度方向的波動性較低 。

基于“強工藝規(guī)范”的首道次成形時，因不必考慮熔池內熔融金屬向兩側漫流，即重力對成形性的影響，向熔池內持續(xù)地高速率物質輸入以弱化表面張力作用，使得成形體系成為以熔融態(tài)金屬重力支配作用下的熔覆為主，可能會降低成形穩(wěn)定性對基板特征的敏感程度而獲得連續(xù)、穩(wěn)定一致的成形形貌。 TIG電弧增材制造因其弧、絲的非同軸性，在成形路徑復雜多變時，送絲方向與堆焊方向的相位關系保持依賴于行走機構，往往增大了成形、控制系統(tǒng)的復雜性。

基于MIG焊的WAAM雖然熱輸入較高，但成形速率更快，而且以焊絲作為電極，弧、絲具有同軸性，不存在如TIG電弧增材成形的送絲方向與焊接方向的相位關系，成形位置的可達性更高。Fronius公司基于MIG/MAG開發(fā)出冷金屬過渡（Cold Metal Transfer， CMT）技術，因其具有超低熱輸入、熔滴過渡無飛濺、電弧穩(wěn)定等不同于MIG/MAG的特征，克服了MIG增材成形的諸多弊端而在WAAM成形領域展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。2012年英國Cranfield大學研究人員系統(tǒng)地研究了工藝參數(shù)，如焊速、送絲速度、焊絲直徑等對基于CMT方法的WAAM技術成形形貌（有效寬度、表面波動性等）的影響規(guī)律，以WFS/TS作為歸一化變量，通過該比值協(xié)調調整焊速及送絲速度，使得在研究工藝與成形形貌的相互關系時，工藝參數(shù)的變化水平具有可表征性，以WFS/TS=30時為例，不同 TS水平下成形形貌如圖3所示。

并未探討不同的WFS/TS水平下成形件有效寬度的變化規(guī)律，該參量或許可作為有效寬度定量表征的參考量，因該系數(shù)直接聯(lián)系于單位時間內熔池物質輸入效率，而成形的“隆起”、“凹陷”缺陷應與焊速或送絲速度水平相關，正如圖3中的成形形貌變化特征，其調整的參考量應為焊接熱輸入，其成形形貌的變化特征與基于TIG的WAAM技術類似，增大焊速、降低送絲速度、減小焊絲直徑均可降低成形件的有效寬度。 近幾年，我國西北工業(yè)大學、哈爾濱工業(yè)大學、南昌大學、天津大學等部分高�？蒲袡C構也相繼開展了WAAM成形技術的工藝與控制研究工作，但均處于試驗規(guī)律性描述和成形形貌、表面質量控制方法研究階段。

增材制造以個性化、復雜化需求為導向，WAAM獨特的載能束特征及其強烈的載能束與熱邊界相互作用，決定了針對不同的材料體系、結構特征、尺寸、熱沉條件等，WAAM成形工藝也不一而同，可能無法如其他材料加工技術那樣制定加工圖或工藝規(guī)范帶，這意味著以試驗為基礎的經(jīng)驗方法難以面面俱到，更需要通過探討WAAM成形物理過程，深入認識其成形基礎理論，在材料、結構、形狀、路徑改變時，成形工藝參數(shù)設計有“據(jù)”可依，以適于自由多變靈活的WAAM成形過程。

目前，國內外公開發(fā)表的探討WAAM成形基礎理論問題的文章較少，僅涉及到成形 過程溫度場的演變及應力分布規(guī)律研究，從溫度場演變規(guī)律出發(fā)，析出熔池熱邊界一致性的控制方法，可能對于工藝控形更具意義，并進一步從電弧參數(shù)和材料送進對成形過程的影響、熔池動力學、成形表面形貌演化動力學等相關科學問題出發(fā)，揭示電弧增材成形的物理過程，應成為該領域研究工作的核心。

3   WAAM成形件性能
相比激光、電子束增材制造技術而言，電弧的熱輸入較高，WAAM成形過程中熔池和熱影響區(qū)的尺寸較大，較長時間內已成形構件將受到移動的電弧熱源往復后熱作用，而且隨著成形高度增大，基體熱沉作用減弱，熱耗散條件也發(fā)生變化，每一層的熱歷程不盡相同，因此，基于連續(xù)成形過程中溫度場演變規(guī)律，研究凝固織構的晶體學特征及周期性，表征不同熱歷程條件下成形件的力學性能，成為控性的基礎。 電弧增材成形的本質是微鑄自由熔積成形，逐點控制熔池的凝固組織可減少或避免成分偏析、縮孔、凝固裂紋等缺陷的形成。

在圖4 TC4鈦合金成形件組織形貌中，可明顯觀察到貫穿于整個成形件的粗大柱狀初生β晶粒。初生β晶粒由底層熔池底部外延生長直至距離頂部1~2mm的位置，粗大柱狀晶的顏色差異源于不同晶粒的晶體取向差別，晶粒長大方向幾乎垂直于基體，這種組織的形成可能是源于首道次堆焊時，因采用TC4基體，熔合線附近的基板組織發(fā)生α相向β轉變，在熔合線附近形成完全的β相組織，然后β相作為形核點經(jīng)外延生長而快速長大，下道次成形時，在熔合線附近β晶粒繼續(xù)外延長大，而在熱影響區(qū)內，發(fā)生粗化，周而復始最終形成圖4左側所示的宏觀粗大柱狀β晶粒。

Wang等沿不同方向在TC4單壁成形件不同位置取樣，并與鍛件對比，評價沿成形方向及垂直于成形方向上成形件力學性能。在優(yōu)化工藝參數(shù)下，雖然沿成形方向和垂直于成形方向抗拉強度存在一定差異，但強度差異并不顯著。垂直于成形方向的塑性（沿柱狀初生β晶粒方向） 顯著優(yōu)于沿成形方向，比鍛件高30%左右。在本課題組有關5A06鋁合金電弧增材成形的性能研究中，獲得了類似結論，成形件抗拉強度與鍛件基本持平，但塑性顯著提高。

鋁合金組織中并未出現(xiàn)圖4中貫穿整個構件的宏觀柱狀組織，織構擇優(yōu)取向特征可能并非導致塑性提高的誘因，或許與成形過程中各層熔接特征相關，這一猜想有待進一步驗證。增材制造最大的優(yōu)勢在于其復雜形狀的構型能力，現(xiàn)階段的研究工作主要聚焦于控形，而性能的研究僅限于表征其 性能水平。成形過程受往復移動瞬時點熱源的前熱、后熱作用，凝固織構的取向、分布、晶粒度等必然與成形的熱物理過程相關，因此以溫度場演變特征為契機，實現(xiàn)形性一體化控制是增材制造有別于傳統(tǒng)減材、等材加工方法的技術優(yōu)勢。 WAAM在航空制造中應用前景隨輕量化、高機動性先進航空飛行器的發(fā)展，飛機結構件也向著輕量化、大型化、整體化改進，低成本高效地制造高可靠性、功能結構一體化的大型航空結構件成為航空制造技術發(fā)展的新挑戰(zhàn)。

電弧增材制造以連續(xù)“線”作為基本構型單元，適于機體內部框架、加強肋及壁板結構的快速成形。目前，大型整體鈦、鋁合金結構在飛行器上的應用越來越多，雖然大型一體化結構件可顯著減輕結構重量，但這種結構給傳統(tǒng)減材、等材加工制造帶來巨大困難。如美國F35的主承力構件仍需幾萬噸級水壓機壓制成形，后期需要大量繁瑣的銑削、打磨等工序，制造周期長。大型框架、整體筋板加強筋和加強肋的 增材制造等強烈依賴于機加工設備 的結構件采用增材制造， 可逾越國外對我國大噸位、 高自由度機加工設備的技術封鎖， 推進我國先進航空飛行器研發(fā)進度。 此外，受限于傳統(tǒng)加工技術，現(xiàn)代飛機零部件可能在結構、 重量、形狀等諸多方面有所妥協(xié)， 以便于加工制造�；�于增材制造技術在構型 能力上的優(yōu)勢， 面向電弧增材制造的結構優(yōu)化設計， 具有更大的設計自由度， 可顯著降低結構重量。

EADS公司為空客激光增材制造了結構優(yōu)化 的機翼支架， 比使用鑄造的支架減重約40%， 踐行了面向增材制造的結構設計新思路， 尤其面對大型結構件，結構優(yōu)化設計可能會在減重方面具有更顯著的效果。 2015年11月，紐約州已與Norsk Titanium達成 “公、私合作協(xié)議” ，紐約州將投資1.25億美元建工業(yè)規(guī)模的3D打印工廠， 廠址設在紐約州Plattsburgh市。其主要成形技 術為電弧填絲增材制造， 預計2016年竣工， 該增材制造工廠首要目標是改變目前航空結構件大余量的鈦金屬去除狀況，實現(xiàn)高效、低成本、高材 料利用率地制造航空零部件。Norsk  Titanium公司制造的某電弧增材成 形零件成本可降低50%~70%， 可縮短75%的產(chǎn)品上市時間。

發(fā)展際遇與挑戰(zhàn) 不論是替代傳統(tǒng)加工制造的部 分環(huán)節(jié)，還是基于靈活的構型能力進行結構設計以優(yōu)化結構，電弧增材制造技術付諸實踐還需經(jīng)過一定時期的發(fā)展完善過程。2012年3月，美國白宮宣布振興美國制造的新舉措，投資10億美金幫助美國制造進行體系改革，增材制造作為實現(xiàn)該項計劃的三大背景技術之一，旨在通過改善增材制造材料、裝備及標準，實現(xiàn)創(chuàng)新設計的小批量、低成本數(shù)字化制造。英、德、法等國家也相繼推出相關措施，推動本國增材制造技術的發(fā)展。

英國在電弧增材制造研究領域處于國際前沿，以Cranfield大學為代表的一批研究機構在政府立項、企業(yè)出資參與下，針對電弧增材自動化控制、成形件力學性能研究、殘余應力及變形控制、復雜形狀構件成形路徑規(guī)劃和工業(yè)化應用準則等方面開展了系統(tǒng)研究，并逐步建立起政府、企業(yè)、科研機構的多層次研團隊梯隊，與Airbus、Rolls-Royce、BAE System、Bombardier Aerospace、Astrium、EADS等一大批航空航天企業(yè)建立并開展廣泛研究合作，研究目標對接工業(yè)化應用。

增材制造的優(yōu)勢就在于工序簡單，能夠實現(xiàn)直接面對客戶的制造，可省略其中環(huán)節(jié)而極大縮短研發(fā)周期。對增材制造而言，建立多層次多結構的研發(fā)體系，客戶直接參與到制造中才能盡其所能地發(fā)揮其優(yōu)勢。 我國正處于推進“中國制造”向“中國創(chuàng)造”的戰(zhàn)略轉變時期，增材制造技術對增強我國產(chǎn)品自主創(chuàng)新能力，實現(xiàn)從“中國制造”向“中國創(chuàng)造”邁進有重要意義。增材制造技術及產(chǎn)品已經(jīng)在航空航天、汽車、生物醫(yī)療、文化創(chuàng)意等領域得到了初步應用，涌現(xiàn)出一批具備一定競爭力的骨干企業(yè)。但我國電弧增材制造產(chǎn)業(yè)化仍處于起步階段，與先進國家相比還存在較大差距，尚未形成完整的產(chǎn)業(yè)體系，離實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化、工程化應用還有一定距離。

關鍵核心技術有待突破，裝備及核心器件、成形材料、工藝及軟件等產(chǎn)業(yè)基礎薄弱，政策與標準體系有待建立，缺乏有效的協(xié)調推進機制。尤其對我國電弧增材制造技術而言，其系統(tǒng)的研究工作起步相對較晚，較英國有一定的差距，應該在加快提升電弧增材制造技術水平的同時，加速發(fā)展其必備的核心器件，并就建立和完善產(chǎn)業(yè)標準體系等方面加快推進計劃，以政府及國家規(guī)劃為導向，鼓勵更多的直接面向客戶的企業(yè)參與其中，力爭在短期內初步建立較為完善的產(chǎn)業(yè)體系，整體技術水平保持與國際同步，在航空航天等制造領域達到國際先進水平。

編輯：南極熊
作者：西北工業(yè)大學凝固技術國家重點實驗室  (熊江濤  耿海濱  林 鑫)，西北工業(yè)大學摩擦焊接陜西省重點實驗室（  黃 丹  李京龍  張賦升）