三維焊接快速成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

黃健康，何笑英，樊　丁，石　玗

（蘭州理工大學省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室，甘肅蘭州730050）

三維焊接快速成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

黃健康，何笑英，樊丁，石玗

（蘭州理工大學省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室，甘肅蘭州730050）

基于三維焊接的直接金屬快速成形技術(shù)發(fā)展至今，以焊接工藝為技術(shù)依托，直接成形金屬材料零件已成為三維焊接快速成形技術(shù)新的研究熱點。總結(jié)了快速成形技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，闡述了該技術(shù)目前所存在的問題，以及提出了該技術(shù)目前仍然有待提高的方面以及在以后的研究過程中所需解決的問題。

三維焊接；熔覆；快速成形

0　前言

三維焊接熔覆快速成形技術(shù)是一種非常實用且制造成本較低的直接快速制造金屬零件的方法，同時結(jié)合數(shù)字控制技術(shù)、疊層制造原理和焊接工藝，直接成形金屬材料零件[1-2]以成為焊接熔覆新的研究熱點，將在快速制造和快速制模等領(lǐng)域發(fā)揮相當大的作用。該技術(shù)有一定的優(yōu)勢，如金屬堆積方法和高效焊接工藝方法有很多選擇，且性能也能滿足要求。對于焊接熔覆來說，現(xiàn)有的電弧熔覆、等離子熔覆、激光熔覆等快速制造技術(shù)，其中電弧熔覆、等離子熔覆相對于激光熔覆來說具有制造成本低、生產(chǎn)效率高、設備簡單等優(yōu)點，但也存在成形及表面精度低等缺點，使得相關(guān)應用仍停留在簡單的零件加工階段[3-4]。但是三維焊接快速成形技術(shù)在某些方面也存在一定的問題，如材料的選擇、成形組織和性能成形精度等方面。而焊接熔覆所面臨的熔覆過程成形，凝固組織及熱應力、殘余應力、應變成為焊接熔覆過程為其他制造過程中急需解決的關(guān)鍵性科學問題。當前，對于弧焊快速成形技術(shù)，國內(nèi)外研究主要涉及成形方法與技術(shù)、組織材料、應力與應變控制以及其自動化研究?？偨Y(jié)了三維焊接快速成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并對該技術(shù)存在的問題進行剖析，對其今后的發(fā)展趨勢進行探討。

1　三維焊接快速成形技術(shù)研究現(xiàn)狀

在20世紀60年代末發(fā)展起來的被稱之為成形焊接（shape welding）的弧焊快速成形技術(shù)，在弧焊快速成形方法及技術(shù)方面，目前廣泛采用電弧進行快速成形研究主要有：非熔化極氣體保護焊GTAW（Gas Tungsten Arc Welding）[5-6]、等離子弧焊PAW（Plasma-Arc Welding）[7-8]、熔化極氣體保護焊GMAW（Gas Metal Arc Welding）[9-10]等工藝，特別是形成了熔化極氣體保護電弧和增材制造AM（Additive Manufacturing）相結(jié)合的GMA-AM技術(shù)?？焖俪尚渭夹g(shù)最初是由德國的Krupp Thyssen和Shulzer公司用來制造大型（500 t）簡單形狀的壓力容器[11]。美國Babcack&Wilcox公司曾經(jīng)使用GMAW和等離子MIG混合焊，生產(chǎn)出了材料為奧氏體不銹鋼或Ni基的大型零件[12]。美國Rools ROYCE航空集團利用該技術(shù)制造昂貴的高性能合金零件，如各種Ni基和Ti基材料的飛行器零部件[13]。此后，隨著快速成形技術(shù)的出現(xiàn)，將焊接工藝與快速成形的基本原理相結(jié)合用于產(chǎn)品零部件的原形制造或者直接制造，從而形成了三維焊接（3D Welding）技術(shù)。

目前，對快速成形的研究主要集中在激光熔敷及激光燒結(jié)領(lǐng)域。而在弧焊快速成形方面研究相對要少很多。英國Nottingham大學J.D.Spencer等人利用GMAW焊接工藝和六軸焊接機器人相結(jié)合實現(xiàn)了零件的三維焊接快速成形[14]。近幾年來，隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，新的弧焊方法被引進到三維焊接中。裝甲兵工程學院的徐濱士院士等人[15]開展了基于冷金屬過渡（Cold Metal Transfer，CMT）焊接的快速成形工藝研究。同時，文獻[16]也利用冷金屬過渡焊接技術(shù)快速成形方法，開展了船用三葉螺旋槳的快速成形制造研究。王其隆教授等人[17]采用脈動送絲的方式對基于GMAW的快速成形進行了研究，使得焊縫的表面質(zhì)量獲得了很大的提高。天津大學的胡繩蓀等人[18]對基于GMAW的快速成形工藝進行了研究，開展了不同成形路徑時引弧和熄弧對環(huán)狀件成形的影響。

圖1　CMT焊接快速成形系統(tǒng)Fig.1Illustration for welding rapid type prototyping system

對弧焊快速成形的材料及組織的研究，國內(nèi)外學者開展了鐵基、鋁基、鈦基等金屬材料，尤其以金屬粉末材料的研究較多。而對于三維焊接快速成形，采用絲材可大大提高成形效率，R.Kovacevic等人進行了5356鋁合金的快速成形技術(shù)研究，并分析了鋁合金試件的性能和組織變化[19]。Sheffield大學的Bernd Baufeld等人對TIG等熱源直接成形的鈦合金件進行了研究，并對成形件不同位置處的組織和力學性能進行測試與研究[20-21]。Cranfield大學的S.Williams等開展了Ti-6Al-4V的GMAW-P快速成形研究[22-23]，澳大利亞的Wollongong大學的N. P.Hoye等也開展了Ti-6Al-4V的TIG焊快速成形研究[24]。哈爾濱工業(yè)大學徐濱士院士與徐富家等人進行了Inconel625合金等離子弧快速成形組織控制及工藝優(yōu)化等方面的研究，如對單道多層薄壁墻和多層多道的方塊體試樣進行了制備[25]，如圖2所示。

對于三維焊接快速成熱過程及其應力應變的研究，由于三維焊接熱源屬于多重加熱重熔過程，工件溫度場分布極不均勻，是一個多參數(shù)、強耦合、非線性的復雜過程，同時熱過程又直接影響熱應力及變形，且最終決定工件的殘余應力與變形情況。因此，三維焊接快速成形熱過程及其應力應變成為當前學術(shù)界研究的熱點。Mughal等人[26-29]對GMAW快速成形間隔冷卻和連續(xù)沉積的溫度場分布特征進行了有限元模擬，研究間隔冷卻時間對沉積過程過渡重熔和熱量積累影響規(guī)律，并進一步對以焊接電弧為熱源的單層沉積制造過程熱應力分布、變形情況進行了研究。文獻[30]研究了GMAW焊快速成形過程微觀應力、宏觀應力與應變，并提出在成形過程中采用高壓軋制的方法來消除熔敷層殘余應力和變形。在國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學張廣軍等人[31-32]采用有限元模擬的方法研究了GMA-AM過程溫度場、應力應變場規(guī)律，對多層單道、單層多道、多層多道堆積過程進行了系統(tǒng)研究，分析了成形過程中堆積長度、道間等待時間、不同堆積路徑對溫度場、應力應變的影響規(guī)律，并對多層單道GMA-AM快速成形及熔敷尺寸進行了控制研究。

圖2　等離子弧快速成形Inconel625試樣Fig.2Plasma arc welding rapid forming of Inconel625 sample

在成形零件的精度控制方面，美國Southern Methodist大學的R.Kovacevic教授領(lǐng)導的先進制造研究中心開發(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)合的直接金屬快速成形技術(shù)[33-34]。韓國Institute of Science and TechnologyCAD/CAM研究中心Yong-Ak Song等將三維焊接（GMAW）與銑削技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了金屬零件的直接成形[35-36]。諾丁漢大學的Guijun Bi[37]將熔池溫度反饋引入成形系統(tǒng)，通過閉環(huán)控制系統(tǒng)對熔池溫度進行實時檢測和控制，提高了快速成形零件的加工精度，獲得了組織均勻和性能優(yōu)良的零件。美國肯塔基大學的Yuming Zhang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)劃進行了較詳細的研究，此外著重研究了焊接過程的熱量和質(zhì)量流動機理及其控制措施，對焊接電弧的引弧、熄弧進行控制，以獲得最佳焊接熔敷成形效果[38-39]，管形成形如圖3所示。國內(nèi)，南昌大學的張華等人[40]在分析快速成形數(shù)據(jù)處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對焊接這一多參數(shù)強耦合的復雜高溫過程，提出了“造型—前處理—分層—尺寸補償—軌跡填充—熔敷加工”的數(shù)據(jù)處理技術(shù)。

圖3　旋轉(zhuǎn)形成的管形成形：無積累誤差發(fā)生Fig.3Tube-shaped part deposited with rotated paths:no accumulated error occurs

2　三維焊接快速成形技術(shù)目前所存在的問題

雖然三維焊接快速成形技術(shù)有了長足的發(fā)展，但仍存在幾個方面的問題：（1）材料問題。目前選用的材料主要分為絲材、粉末兩大類，絲材一般使用低碳鋼合金焊絲和不銹鋼焊絲等，粉末材料則基本上選用Fe基或Ni基等自熔劑合金粉末，這些材料基本都是針對金屬零件表面焊接修復而開發(fā)的，并不適合于焊接熔覆快速成形。如合金粉末在快速成形多層熔覆的情況下，熔覆層具有較高的開裂傾向，會產(chǎn)生較大的應力積累和變形，不利于保證快速成形件的成形精度和成形質(zhì)量；（2）成形組織和性能。三維焊接快速成形方法的基本原理是利用焊接技術(shù)逐層堆焊的方法制造零件，所以制造過程的熱循環(huán)和組織轉(zhuǎn)變過程比一般焊接過程的熱循環(huán)都復雜很多，增加了零件性能控制的難度；（3）成形精度控制。逐層熔覆堆積的方法會不可避免地產(chǎn)生殘余應力和內(nèi)應力，這使制造的零件發(fā)生翹曲變形。焊接應力可能引起的工藝缺陷常見的熱裂紋、冷裂紋、脆性斷裂等，而且其產(chǎn)生的變形累積會嚴重影響成形件的幾何精度，若這種累積誤差到了一定程度甚至會導致快速成形過程無法進行。

3　結(jié)論

基于三維焊接熔覆快速成形技術(shù)是一種制造成本較低且可直接快速制造金屬零件的方法，也是快速成形技術(shù)中的一個重要分支。目前，此技術(shù)的制造成形工藝主要是在零件毛坯的生產(chǎn)上，對堆垛過程成形尺寸精度及功能質(zhì)量等方面的研究涉及較少。在很多方面還有待提高與進行更深入的研究：

（1）電弧熔覆快速成形的堆垛過程、晶粒生長及凝固組織、微觀應力與宏觀殘余應力應變積累過程、堆垛過程中多物理場耦合作用機理等基本科學問題。

（2）熱過程的精確控制、弧焊熱源對成形層反復循環(huán)加熱對組織及性能的影響、熱應力應變的控制措施。

（3）考慮成形零件整體溫度場變化規(guī)律對成形件組織和性能、熱應力及變形的影響及積累機制和傳遞作用，甚至考慮多物理場條件下相互耦合作用的機制。

（4）成形過程中，弧焊熱源對成形層反復循環(huán)加熱對成形層的組織及性能的影響規(guī)律；對成形層開裂、氣孔等冶金缺陷的形成機理。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外學者不斷對此技術(shù)進行研究與改善，三維焊接快速成形技術(shù)必將在不同領(lǐng)域有更廣泛的運用。

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Current status and prospect of researches on rapid prototyping technique based on 3D welding cladding

HUANG Jiankang，HE Xiaoying，F(xiàn)AN Ding，SHI Yu
（State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Non-ferrous Metals，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

Direct metal rapid prototyping technique based on the 3D welding development up to now.Relying on the welding technology，direct forming metal parts have become a new research hotspot in 3D welding rapid prototyping technique.This paper summarized the present study situation of the rapid prototyping technique of welding cladding both in home and abroad，described a series of problems in the technique study at present.Currently，some aspects of this technology should be improved and finally some problems on further study by referring to the process features of the rapid prototyping cladding were put forward.

3D welding；cladding；rapid prototyping

TG409

C

1001－2303（2016）03－0079-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.03.17

2015－03－29

國家自然科學基金資助項目（51205179）；蘭州理工大學紅柳青年項目（Q201202）

黃健康（1981—），男，湖南邵東人，博士，副教授，主要從事焊接過程檢測與控制、焊接物理等方面的研究工作。