金屬部件送絲增材制造工藝研究現(xiàn)狀

任麗麗 劉金平 馮英超

【摘要】相對(duì)比于傳統(tǒng)的減法式制造,，送絲增材制造是一種新興的加工制造方法，在復(fù)雜的幾何圖形和貴金屬的制造方面具有更好的應(yīng)用前景,。本文通過(guò)分析對(duì)比,，闡述了當(dāng)前主流的三種送絲增材制造技術(shù)的特點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，著重闡述了工藝參數(shù)對(duì)成形件精度,、組織和力學(xué)性能的影響,。分析了現(xiàn)階段送絲增材制造技術(shù)存在的問(wèn)題，最后對(duì)送絲增材制造未來(lái)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望,。

關(guān)鍵詞：增材制造,；研究現(xiàn)狀；金屬部件

1.概述

在過(guò)去的30年中,，增材制造（AM）技術(shù)已經(jīng)受到加工制造業(yè)越來(lái)越多的關(guān)注,，尤其是模具制造和成形行業(yè),。增材制造起源于立體印刷和3D打印，這些技術(shù)最初被應(yīng)用在通信和檢測(cè)設(shè)備的制造上,，主要材料為有機(jī)分子高聚物,。為了滿足航空、汽車以及快速制模等工業(yè)的需求,，當(dāng)前送絲增材制造技術(shù)主要應(yīng)用于成形尺寸精度高,、表面質(zhì)量好、性能優(yōu)良以及具有復(fù)雜形狀的功能部件和一些貴重金屬部件的生產(chǎn),。

與傳統(tǒng)的減法式加工制造相比,，增材制造技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①增材制造過(guò)程可以直接將CAD/CAM的數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)化成實(shí)體零件，大大減少產(chǎn)品的加工時(shí)間以及生產(chǎn)過(guò)程中的人為干擾,。盡管數(shù)控機(jī)床同樣可以將CAD模型轉(zhuǎn)化成實(shí)際部件,，但是復(fù)雜幾何尺寸部件的重新裝夾和校準(zhǔn)需要耗費(fèi)大量時(shí)間。②在貴金屬部件的加工（像應(yīng)用于航空航天的鈦合金,、鎳基合金等部件）方面,，增材制造具有低成本的優(yōu)勢(shì)。③增材制造技術(shù)可以生產(chǎn)傳統(tǒng)加工制造方法無(wú)法生產(chǎn)的小批量且具有復(fù)雜幾何形狀的部件,。

按照能量源種類可將送絲增材制造技術(shù)分為三類：激光,、電子束以及弧焊送絲增材制造技術(shù)。相比于其他兩種增材制造技術(shù),，電弧增材制造技術(shù)具有高成形效率,、低成本等優(yōu)點(diǎn)；與此同時(shí),，電弧增材制造也存在很多局限性,，如零件的成形精度低，組織性能差等,，而這些也成為限制其推廣與應(yīng)用的主要原因,。

2.送絲增材制造研究現(xiàn)狀

（1）激光送絲增材制造技術(shù) 激光送絲增材制造是采用激光為焊接熱源，金屬絲作為填充材料來(lái)完成致密度較高的三維部件的增材制造方法,。激光送絲增材制造系統(tǒng)通常是由激光器,、自動(dòng)送絲系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制的移動(dòng)平臺(tái)和一些機(jī)械附件（保護(hù)氣體,、預(yù)熱系統(tǒng)等）組成,。其工作原理如圖1所示，激光作用于基板上,，基板熔化形成熔池,，送進(jìn)的焊絲在激光的作用下熔化進(jìn)入熔池，熔化的焊絲與基板形成有效的冶金連接,，最后通過(guò)移動(dòng)激光器和送絲裝置或者是移動(dòng)基板形成均勻良好的焊縫,。焊接裝置和基板的相對(duì)移動(dòng)可以通過(guò)機(jī)械手臂或者是數(shù)控移動(dòng)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn),。

激光增材制造技術(shù)起源于1995年，以Sandia和Los Alomos為主的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室首先對(duì)激光近凈成形（LENS）技術(shù)和激光直接制造（DLF）技術(shù)進(jìn)行了研究,。1997年,，美國(guó)AreoMet公司成立，該公司主要研究航空航天所用鈦合金結(jié)構(gòu)件的激光增材制造技術(shù),，并且能夠?qū)Χ喾N金屬材料進(jìn)行增材制造,。

大量研究表明，在激光送絲增材制造過(guò)程中,，焊縫的尺寸主要與激光功率,，送絲速率以及焊接速度有關(guān)。堆積層的寬度和厚度隨著工藝參數(shù)的變化存在較大的差異,。研究發(fā)現(xiàn),，堆焊層的寬度主要取決于激光功率，而堆焊層高度主要取決于焊接速度,。激光工藝參數(shù)對(duì)單道焊縫成形尺寸的影響如附表所示。焊縫橫截面積主要取決于送絲率（送絲速度與焊接速度的比值）,；堆焊層的高度與激光功率成反比關(guān)系而與焊接速度成正比關(guān)系,；堆焊層寬度則與激光功率成正比關(guān)系而與焊接速度成反比關(guān)系。

此外,，焊絲的送進(jìn)方向同樣會(huì)對(duì)焊縫的成形產(chǎn)生較大影響,。對(duì)此，人們對(duì)不同送絲方向的焊縫成形做了相應(yīng)的研究,。Kim等人發(fā)現(xiàn),，當(dāng)使用Ti基和Ni基的焊絲作為填充材料時(shí)，送絲方向?yàn)閭?cè)面和后方時(shí)送絲效率要低于前方送絲,。Syed等人發(fā)現(xiàn)前方送絲時(shí)焊縫成形最好,。Mok等人同樣發(fā)現(xiàn)，焊絲送進(jìn)方向?yàn)榍胺胶蛡?cè)面時(shí),，送絲更加順暢,，成形更加美觀，而后方送絲時(shí),，試樣的堆焊層上會(huì)形成類似駝峰狀的缺陷,，這與Syed等人結(jié)論相同。然而,，Xiao等人對(duì)CO2激光器鋁合金送絲增材制造進(jìn)行了研究,，發(fā)現(xiàn)后方送絲時(shí)焊絲熔化效率更高，焊接過(guò)程更加穩(wěn)定,。因此,，最佳送絲方向的選擇與材料有關(guān),。

Viehweger B等對(duì)Ti-6Al-4V鈦合金激光送絲增材制造部件組織和性能進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)在相同的激光功率下,，采用高焊接速度制造的部件的顯微硬度要略高于低焊速下的顯微硬度,，抗拉強(qiáng)度差低于10%。由于存在各向異性,，垂直于增材高度方向試樣的抗拉強(qiáng)度要高于平行增材高度方向試樣的抗拉強(qiáng)度,，所以焊后的消應(yīng)力過(guò)程對(duì)高試樣的抗拉強(qiáng)度并無(wú)顯著地影響。增材制造試樣的力學(xué)性能與鑄造和鍛造試樣的力學(xué)性能相當(dāng),，抗拉強(qiáng)度更加依賴于試樣的拉伸方向的選擇,。

（2）電子束送絲增材制造技術(shù) 電子束增材制造技術(shù)起初是美國(guó)宇航局發(fā)明的一項(xiàng)增材制造專利，旨在生產(chǎn)復(fù)雜的近凈成形部件,，相對(duì)于傳統(tǒng)的制造方法,，該方法的可以減少大量的原材料和機(jī)加過(guò)程。圖2為鋁合金電子束送絲增材制造的主要原理,。在真空環(huán)境下,，送進(jìn)的焊絲在聚焦電子束的作用下熔化進(jìn)入熔池中，而對(duì)于銅鋁這些高反射率的金屬,，電子束的效率要增加幾倍,。電子束增材制造的速率最高可以達(dá)到每小時(shí)2500cm3，但此時(shí)的成形精度和送絲可達(dá)性就會(huì)受到限制,。焊絲的直徑?jīng)Q定了增材制造過(guò)程的精度和速度：細(xì)絲可以增加精度,，而粗絲可以增加堆積速率。同時(shí),，Taminger等人發(fā)現(xiàn)在堆積速率和晶粒尺寸大小之間存在一定的關(guān)系,。

華中科技大學(xué)索洪波等人對(duì)基于電子束焊接的鈦合金增材制造進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)增材試樣的微觀組織主要由近似垂直焊接方向生長(zhǎng)的β柱狀晶構(gòu)成,，并且層與層之間存在不規(guī)則分布的亮暗條狀組織,，焊后態(tài)和經(jīng)過(guò)退火處理后的試樣的力學(xué)性能都存在明顯的各向異性，X和Y方向的抗拉強(qiáng)度相近并且明顯的高于增材制造高度方向,。

（3）電弧送絲增材制造技術(shù) 由于在大尺寸零件的生產(chǎn)上具有低成本,、高效率等優(yōu)點(diǎn)，電弧送絲增材制造技術(shù)在過(guò)去20年一直是學(xué)者們研究的熱點(diǎn),。

圖1 激光送絲焊接原理

工藝參數(shù)對(duì)單道焊縫尺寸的影響

注：其中P為激光功率,，VW為焊接速度，λ為送絲速率與焊速的比值,，↑：顯著增加,，↓顯著減小，0：無(wú)顯著變化。

增材區(qū)焊縫高度焊縫寬度P↑0↓↑VW↑0↑↓λ↑↑↑0

圖2 電子束增材制造技術(shù)

常用的電弧增材制造方法包括：熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）,，非熔化極氣體保護(hù)焊（GTAW）和等離子弧焊（PAW）,，其原理如圖3所示。GMAW是一種熔化焊方法,，電弧在電極和基板之間燃燒,，焊絲通常垂直于基板。GMAW主要有四種典型的過(guò)渡方式,，分別是：大滴過(guò)渡,、短路過(guò)渡、射流過(guò)渡以及射滴過(guò)渡,。除此之外,，冷金屬過(guò)渡的焊接方法也經(jīng)常用在增材制造過(guò)程中，該方法具有焊接速度高,、熱輸入低等優(yōu)點(diǎn),。

J D Spencer等人首次使用搭載了GMAW焊槍的六軸機(jī)器人實(shí)現(xiàn)鋼焊材的增材制造，他們指出,，焊接過(guò)程中產(chǎn)生的較大熱輸入會(huì)嚴(yán)重影響到零件的成形與質(zhì)量,，必須要采用合適的溫度控制手段控制增材過(guò)程的溫度，與此同時(shí)不能影響增材制造的效率,，為電弧增材的可能性奠定了基礎(chǔ),。

GTAW和PAW都采用的是非損耗的鎢極放電的形式。與GMAW不同的是,，這兩種方法的焊絲送進(jìn)方向?qū)缚p的質(zhì)量影響很大，這就使得成形過(guò)程的合理規(guī)劃變得更加復(fù)雜,。

F.Martina對(duì)基于等離子弧沉積的Ti-6Al-4V增材制造進(jìn)行了研究,，該作者研制了一種鈦合金等離子弧增量制造的設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中建立了回歸模型,，使用該模型對(duì)墻體部件總寬度,，有效墻體寬度進(jìn)行了測(cè)量。發(fā)現(xiàn),，相比于其他弧焊增材制造過(guò)程,，該系統(tǒng)制造出墻體部件的有效寬度和效率更高，并且對(duì)增材試樣的組織和性能進(jìn)行了進(jìn)一步的分析,。

南衛(wèi)理工大學(xué)的Radovan Kovacevic等人對(duì)基于變極性GTAW電弧的鋁合金增材制造技術(shù)進(jìn)行了研究,。發(fā)現(xiàn)工藝參數(shù)對(duì)試樣的宏觀成形，微觀組織以及顯微硬度有著顯著影響,。采用優(yōu)化后工藝參數(shù)完成了鋁合金薄壁圓筒的增材制造,，整個(gè)部件堆焊120層，精度較高,，垂直度小于5%,。試樣頂部為尺寸較小的樹枝晶,，中部和底部為柱狀晶組織，而在堆焊層表面局部區(qū)域存在均勻的等軸晶,。同時(shí)發(fā)現(xiàn),，析出相多存在于枝晶間和晶界處。

3.送絲增材制造工藝存在的問(wèn)題

（1）殘余應(yīng)力和變形 大型零件的殘余應(yīng)力和變形問(wèn)題是送絲增材制造主要的關(guān)注問(wèn)題之一,，它不僅僅對(duì)零件的尺寸精度有影響,，并且會(huì)引起零件的提前失效。焊接過(guò)程是一個(gè)局部不均勻的加熱過(guò)程,，不均勻的溫度場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生,，進(jìn)而造成殘余應(yīng)力和殘余變形的產(chǎn)生，盡管后期的處理會(huì)減少殘余應(yīng)力值,，但是由殘余應(yīng)力引起的變形是零件精度變差的主要原因,。因此，限制增材制造過(guò)程中殘余變形的最好方式就是控制堆焊過(guò)程中的殘余應(yīng)力,。

大量的文獻(xiàn)通過(guò)采用改變?cè)霾姆绞?，焊接順序，焊前預(yù)熱或者是層間冷卻來(lái)來(lái)減少增材部件的殘余應(yīng)力,。文獻(xiàn)采用了選擇性堆焊方法來(lái)減小增材制造過(guò)程中的熱應(yīng)力,，首先堆焊一系列小的部分，然后將小的部分連接起來(lái)形成最終的大部件,。如圖4所示,，這些小的“塊狀”部分只有底部受到約束，相比于標(biāo)準(zhǔn)堆焊過(guò)程,，這些小的部分由于具有大的表面積與體積比,，使得它們?cè)诶鋮s過(guò)程中具有更大的變形自由度。研究人員等采用有限元分析與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)柵狀和螺旋狀成形軌跡對(duì)試樣的影響進(jìn)行了研究,，如圖5所示,。研究發(fā)現(xiàn)，在正方形的基板上,，采用柵狀成形軌跡的部件產(chǎn)生的變形最小,，采用由內(nèi)而外螺旋狀的成形軌跡的部件產(chǎn)生的變形最大。

圖3 電弧增材制造方法

堆焊層圖案,、堆焊順序和熱處理對(duì)殘余應(yīng)力的研究主要還是針對(duì)一些二維層和薄的墻壁狀結(jié)構(gòu),。當(dāng)前，對(duì)于減小三維部件增材制造過(guò)程中殘余應(yīng)力和變形還沒(méi)有最佳的策略,。

（2）成形精度 除了殘余應(yīng)力引起的變形外,，另一個(gè)影響部件成形精度的主要因素就是切片的方式。通常來(lái)說(shuō)，零件的模型會(huì)被切片成厚度相同的片層,，如圖6a所示,。采用這種恒定厚度切片方式，會(huì)導(dǎo)致切片模型與原始模型不匹配（見(jiàn)圖6b）,。因此,，采用變厚度的切片方式是解決此類問(wèn)題的有效方式。采用這種切片方式時(shí),，可以根據(jù)模型的形狀靈活的調(diào)整切片層的厚度,，如圖6c所示。

“臺(tái)階效應(yīng)”的產(chǎn)生主要是因?yàn)槎押笇硬捎昧讼嗤穸鹊那衅绞?，如圖7所示,。在切片時(shí)，模型在堆焊方向上出現(xiàn)了正常的尺寸誤差,。對(duì)于給定的零件表面,，切片層的厚度越厚，尺寸誤差就會(huì)越大,。由于送絲增材制造時(shí)絲的直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于粉末的尺寸,，所以送絲增材的尺寸誤差就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于粉末增材制造。對(duì)于簡(jiǎn)單幾何尺寸的零件,，電弧送絲增材制造具有高的堆積效率,。但是對(duì)于尺寸精度要求高的部件，必須采用機(jī)械加工進(jìn)行處理,。

4.送絲增材制造未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

（1）成形件質(zhì)量 堆焊成形速率高是送絲堆焊成形的一大顯著優(yōu)勢(shì),，但是它同時(shí)存在熱輸入大和殘余應(yīng)力、變形等問(wèn)題,。針對(duì)殘余應(yīng)力與變形問(wèn)題,，必須將試驗(yàn)和模擬結(jié)合起來(lái)，將工藝參數(shù)（如焊接能量,、送絲速率、焊接速度及送絲直徑等）,，堆焊層圖形和順序,，冷卻方式以及預(yù)熱對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響作為研究的重點(diǎn)。只有當(dāng)殘余應(yīng)力和變形消失或者減少時(shí),，部件的質(zhì)量和成形的準(zhǔn)確度才會(huì)得到提高,。

圖4 兩種堆焊方式

圖5 三種不同成形軌跡

圖6 切片層厚度調(diào)節(jié)示意

圖7 臺(tái)階效應(yīng)成形表面

（2）成形軌跡的設(shè)計(jì) 目前，對(duì)于送絲增材制造的研究仍然主要針對(duì)于簡(jiǎn)單部件的成形,，而真正的工程零件往往更加復(fù)雜,，需要采用多方向的堆焊成形系統(tǒng)來(lái)提高增材制造的能力，然而現(xiàn)存的主流3D打印的切片軟件也僅僅適應(yīng)于少量幾何成形部件。由于需要考慮殘余應(yīng)力和相鄰焊縫之間的尺寸成形問(wèn)題等,，送絲增材制造的成形軌跡規(guī)劃就變得更加復(fù)雜,，所以要根據(jù)焊接過(guò)程中的殘余應(yīng)力來(lái)對(duì)成形軌跡的規(guī)劃進(jìn)行改進(jìn)。對(duì)于具有復(fù)雜幾何圖形的部件,，尺寸之間的關(guān)系是成形軌跡規(guī)劃的另一個(gè)難題,。

（3）增材制造過(guò)程中的監(jiān)測(cè)和控制 由前文可知，增材制造過(guò)程對(duì)焊接過(guò)程中的工藝參數(shù)的變化十分敏感,，任何參數(shù)的改變都有可能會(huì)影響成形過(guò)程的穩(wěn)定性,、成形件表面質(zhì)量和尺寸精度。因此,，一個(gè)在線的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及控制系統(tǒng)必不可少,。盡管，文獻(xiàn)對(duì)增材制造過(guò)程中的控制進(jìn)行了研究,，對(duì)于增材制造過(guò)程中的控制研究仍然處于起步階段,。

（4）接近于近凈成形 由于較差的準(zhǔn)確性和“臺(tái)階效應(yīng)”的存在，有必要對(duì)送絲增材制造部件進(jìn)行表面機(jī)加工來(lái)提高成形件精度,。對(duì)于無(wú)法進(jìn)行機(jī)械加工的復(fù)雜的部件,，可以在每層堆焊后進(jìn)行機(jī)械加工進(jìn)而提高部件的精度。參考文獻(xiàn)：

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20170531

作者簡(jiǎn)介：任麗麗等,，中國(guó)核工業(yè)二三建設(shè)有限公司,。