国内外增材制造研究现状综述(2)

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3 电弧增材制造技术

电弧增材制造（WAAM）是一种利用逐层熔敷原理，采用熔化极惰性气体保护焊（MIG）、钨极惰性气体保护焊（TIG）以及等离子体焊接电源（PA）等焊机产生的电弧为热源，通过丝材的添加，在程序的控制下，根据三维数字模型由线-面-体逐渐成形出金属零件的先进数字化制造技术。

WAAM技术的原型可追溯到20世纪初西屋电器Baker[10]申请的一项采用以电弧为热源的方法逐层堆焊制造3D金属物体的专利，但早期该成形方法并未引起过多的关注，直至20世纪90年代，受益于计算机技术及数字化控制技术的快速发展，WAAM技术结合数字化控制手段在成形大型复杂结构件上表现出更大的优势，国际上越来越多的科研机构相继开始并专注于WAAM技术的开发工作。

1998 年，英国诺丁汉大学 Spencer 等人提出 GMAW 三维焊接成形(3DWelding)方法，利用计算机数字化控制的六轴机器人和 GMAW 工艺成形金属零件，如图x所示为该系统制造的成形件。

图3 电弧增材制造成形的试件

近年来在电弧增材制造技术的研究中，研究者开始将低热输入高效焊接热源引入到电弧增材制造系统中，取得了一些突出的成绩。哈尔滨工业大学姜云禄、北京航空航天大学从保强等人将冷金属过渡（CMT）技术用于铝合金电弧熔丝增材制造技术中，通过控制工艺可以消除气孔。[11]

国外各实验室或研究所对于电弧增材制造也有各种不同的研究，如下表。

表1 国外WAAM增材制造研究概况

国家研究机构研究方向

美国 Southern Methodist University 铝合金GTAW快速成形过程控制及微观组织

The Pennsylvania State University 增材制造中金属沉积过程热传导分析的有限元模拟

University of Kentucky 增材制造自动化控制系统的研发

Tufts University GTAW堆焊成形件焊道几何尺寸的变量自适应控制

英国 Cranfield University 钛合金WAAM形貌、微观组织、力学性能以及热过程有限元模拟和计算

University of Sheffield 成形工艺参数对钛合金微观组织与力学性能的影响规律及数学模型

University of Wales Swanse 镍基超合金GTAW堆焊成型的微观组织特征

Rolls-Royce 镍基高温合金成形工艺、微观组织及力学性能

比利时 Katholieke Universiteit Leuven 钛合金、镍基合金及不锈钢GTAW堆焊成形工艺和微观组织研究

瑞典 University West 钛合金堆焊成形微观组织模拟

Luleå University of Technology 钛合金增材制造微观组织模型建立

日本 Yokohama National University 多层单道GTAW堆焊成型的有限元模拟

WAAM增材制造过程是通过高温液态金属熔滴连续向成形件表面平稳过渡的方式逐层累积而成形3D实体件的，随着堆焊层数的增加，成形件热积累增大、散热条件变差，以至于熔池凝固时间增大，熔池形状难于控制，尤其是在零件端部，因液态熔池的存在，端部形貌与成形尺寸的控制更加困难，即成形过程中成形条件是连续变化的，那么若要针对不同的构件形状和尺寸、材料体系、成形设备系统等获得稳定的工艺参数，则需要大量的试验数据库，而这个过程往往耗时费力且不利于工程化应用。