電弧增材制造技術(shù)研究發(fā)展現(xiàn)狀

胡韜 郭純 何梓良 魏寶麗 陳豐

摘要：簡要闡述了電弧增材制造技術(shù)的發(fā)展歷史，分析了國外電弧增材制造研究發(fā)展現(xiàn)狀，對電弧增材制造技術(shù)的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：電弧增材;CMT技術(shù);激光視覺傳感技術(shù)

0 引言

電弧增材制造技術(shù)是一種建立在電焊技術(shù)基礎(chǔ)上的智能化、數(shù)字化的連續(xù)堆焊技術(shù)，其原理是使用焊接工藝中普遍應(yīng)用的氣體保護(hù)焊技術(shù)，以高溫電弧為熱源，熔化作為原材料的絲材，再進(jìn)行一層一層堆疊，最后形成所需的零件。

1 電弧增材制造技術(shù)的發(fā)展歷史

增材制造技術(shù)根據(jù)所使用的熱源不同，主要分為激光增材制造技術(shù)、電子束增材制造技術(shù)和電弧增材制造技術(shù)以及金屬固相增材技術(shù)。其中，電弧增材制造技術(shù)是由德國科學(xué)家率先提出的一項(xiàng)新技術(shù)，該技術(shù)以金屬焊絲為原料，采取埋弧焊接的方式，按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的路徑將融化的材料層層堆積，最后凝固成型，形成大尺寸零件。20世紀(jì)90年代，英國的Ribeiro等人對這項(xiàng)技術(shù)又進(jìn)行了進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)期的Spencer等人為了零件的快速制造也做了一些工藝上的研究，這些研究對后來的電弧增材制造技術(shù)造成了極大影響。其后的發(fā)展過程中得益于20世紀(jì)90年代以來的數(shù)字化和信息化技術(shù)的高速發(fā)展，在近30年的發(fā)展過程中成形控制和性能控制這兩大問題的解決也使得電弧增材制造技術(shù)愈發(fā)成熟。

電弧增材制造技術(shù)采用傳統(tǒng)的熔化極氣體保護(hù)焊方式，其特點(diǎn)是熱輸入量較高，成型過程中輸出熱源反復(fù)在剛剛產(chǎn)生和成型的部位上移動(dòng)，使其熱積累量變高，使得材料在堆疊過程中會(huì)產(chǎn)生飛濺、形成多個(gè)氣孔等一系列問題。

1.1 ? ?CMT（冷金屬過渡）技術(shù)

CMT（冷金屬過渡）技術(shù)的提出和應(yīng)用則在一定程度上解決了上述難題。電弧增材的過程中由于絲材要熔化堆疊，在持續(xù)不斷的堆疊中就難免會(huì)讓熔池的熱積累量越來越高，不斷的熱量輸入所產(chǎn)生的熱量積累可能會(huì)使熔池產(chǎn)生飛濺問題，為此CMT技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。相對于傳統(tǒng)的氣體保護(hù)焊，CMT技術(shù)產(chǎn)生的電弧溫度和熔化絲材產(chǎn)生的熔滴溫度比較低，主要得益于冷熱循環(huán)交替原理。所謂冷金屬過渡，是指數(shù)字控制方式下的斷電弧和焊絲的換向送絲監(jiān)控，換向送絲系統(tǒng)由前后兩套協(xié)同工作的送絲機(jī)構(gòu)組成，使焊絲的輸送過程為間斷輸送。在目前國內(nèi)外對于電弧增材制造技術(shù)的研究中，CMT技術(shù)被很多研究機(jī)構(gòu)作為完善電弧增材制造技術(shù)的一個(gè)主要方向進(jìn)行研究，并取得了一定的研究成果。

電弧增材制造過程中由于要進(jìn)行逐層堆疊工作，所以對于送絲速度、行焊路徑等的控制要求都比較高，送絲速度過快或者過慢都會(huì)對焊件產(chǎn)生較大影響，造成復(fù)雜曲面零件的加工成型的焊徑規(guī)劃困難，成型效率低。

1.2 ? ?激光視覺傳感技術(shù)

電弧增材制造的過程是持續(xù)不斷的堆疊過程，其成型硬件系統(tǒng)應(yīng)包括熱源、送絲系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。上述系統(tǒng)組成的機(jī)構(gòu)使得絲材原料可由點(diǎn)到體成型，在成型過程中有諸多因素影響成型結(jié)果，其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行進(jìn)速度、同向位移量、定位精度和穩(wěn)定性等都是較為關(guān)鍵的影響因素?，F(xiàn)階段在執(zhí)行機(jī)構(gòu)方面使用較多的是機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床。當(dāng)然使用機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床在一定程度上有著本質(zhì)區(qū)別，在實(shí)際生產(chǎn)過程中以根據(jù)生產(chǎn)的零件特征選擇使用哪一種執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

近年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，其中工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用極大地提高了增材制造的效率和靈活性，尤其是CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展使得制造過程中的自動(dòng)化程度大大提高，利用CAD/CAM軟件實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)編程，成為電弧增材制造技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

電弧增材制造技術(shù)由于需要使用電弧焊技術(shù)，在一定程度上無法避免其產(chǎn)生加熱半徑大、熱流密度低、熱源強(qiáng)度高等問題，在持續(xù)不斷的工作中，高強(qiáng)度的熱源和低密度的熱流將會(huì)產(chǎn)生持續(xù)不斷的熱積累，過高的熱積累會(huì)使外部環(huán)境極為不穩(wěn)定。針對熱積累導(dǎo)致的環(huán)境變化，要對其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和及時(shí)反饋?；诖耍す庖曈X傳感技術(shù)的應(yīng)用成為必然。

在現(xiàn)階段的一些研究中，對于激光視覺傳感系統(tǒng)在電弧增材制造技術(shù)上的應(yīng)用變得愈發(fā)成熟，在電弧增材制造過程中可以實(shí)現(xiàn)全智能與數(shù)字化的監(jiān)控與反饋，使整個(gè)電弧增材制造過程的控制更加穩(wěn)定，使得材料成型的成功率更高，成型的完整性更好。

2 國外電弧增材制造研究發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，國外各大高校和研究機(jī)構(gòu)在電弧增材制造方面的研究中，主要以材料組織結(jié)構(gòu)、幾何成形能力、力學(xué)性能等研究為主。在工藝優(yōu)化方面，以前文所提到的過程監(jiān)控和實(shí)時(shí)反饋方向的研究較多，尤為關(guān)注送絲速度、層間溫度的監(jiān)控和反饋。Escobar-Palafox在鎢極氣體保護(hù)焊的研究中，以弧長、焊速等因素的變化來觀察成型件的各種變化規(guī)律。研究結(jié)果顯示在一定范圍內(nèi)合理控制焊絲直徑、行焊速度、送絲速度等可以得到較好的成型件。英國的Kazanas等人利用電弧增材制造技術(shù)，使用六軸機(jī)器人配合，組建了增材制造系統(tǒng)平臺，以控制變量法來研究工藝參數(shù)對幾何形狀的敏感程度。在保證一系列外部環(huán)境因素相同的條件下，形成了不同角度的斜薄壁件，最后通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電弧增材技術(shù)對于幾何形狀敏感度不大，表明在電弧增材制造過程中增材制造系統(tǒng)可以獨(dú)立運(yùn)行，不需要依賴于外界輔助。

2019年3月，來自泰雷茲阿萊尼亞宇航公司（Thales Alenia Space）、克蘭菲爾德大學(xué)和Glenalmond Technologies公司的一個(gè)團(tuán)隊(duì)成功利用了電弧增材制造技術(shù)制造出了第一個(gè)全尺寸鈦壓力容器原型。該壓力容器高約1 m，重約8.5 kg，將用于未來空間探索載人任務(wù)。假如利用傳統(tǒng)制造工藝生產(chǎn)，其使用的原材料將會(huì)是最終成品質(zhì)量的30倍左右。而使用電弧增材制造技術(shù)，每件產(chǎn)品能夠節(jié)約超過200 kg的鈦合金。

隨著現(xiàn)在各大研究機(jī)構(gòu)和高校對于電弧增材制造技術(shù)的研究逐漸深入，電弧增材制造技術(shù)在制造行業(yè)的優(yōu)勢得以慢慢體現(xiàn)。

3 結(jié)語

現(xiàn)階段，我國制造業(yè)飛速發(fā)展，對制造效率與產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高。在這種發(fā)展背景下，對于新興制造技術(shù)的探索與使用顯得尤為重要。相信電弧增材制造技術(shù)憑借其高效化、自動(dòng)化的優(yōu)勢在未來制造業(yè)將得到全面推廣與應(yīng)用。

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收稿日期：2020-01-13

作者簡介：胡韜（1999—），男，安徽休寧人，研究方向：增材制造。