電弧送絲增材制造技術(shù) ，即WAAM （Wire and Arc Additive Manufacturing）技術(shù)采用焊接電弧作為熱源將金屬絲材熔化，按設(shè)定成形路徑在基板上堆積每一層片，層層堆敷直至成形金屬件。與上述采用粉末原料的多種增材制造技術(shù)相比，WAAM的材料利用率更高，成型效率高，設(shè)備成本低，對(duì)成型件的尺寸基本無(wú)限制，雖然成形精度稍差，成型件微觀組織粗大，但仍是與激光增材制造方法優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的3D增材成形技術(shù)。
電弧增材制造技術(shù)是采用逐層堆焊的方式制造致密金屬實(shí)體構(gòu)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(fù)雜構(gòu)件低成本、高效快速近凈成形。面對(duì)特殊金屬結(jié)構(gòu)制造成本及可靠性要求，其結(jié)構(gòu)件逐漸向大型化、整體化、智能化發(fā)展，因而該技術(shù)在大尺寸結(jié)構(gòu)件成形上具有其他增材技術(shù)不可比擬的效率與成本優(yōu)勢(shì)。電弧增材制造3D打印技術(shù)是將焊接方法與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)的一種加工技術(shù)，即用計(jì)算機(jī)提供的三維數(shù)據(jù)來(lái)控制焊接設(shè)備，然后通過(guò)分層掃描和堆焊的方法來(lái)制造金屬元件。
電弧增材制造技術(shù)現(xiàn)狀：
（1）熔化極氣體保護(hù)增材制造（GMA—AM） 采用電弧進(jìn)行增材制造零件時(shí)，需要根據(jù)零件的尺寸與焊道基礎(chǔ)尺寸參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)焊接槍頭的行走路徑，電弧增材制造后期機(jī)加工以及最終成形件。
在電弧增材制造過(guò)程中，合理的夾緊形式能有效地降低添絲電弧增材結(jié)構(gòu)件的變形和缺陷。北京理工大學(xué)的Wang Xiaolong等人搭建的電弧增材制造系統(tǒng)，通過(guò)建立三維有限元模型，焊縫截面和熱源模型的正確性。采用Simufact焊接有限元分析軟件，對(duì)四種典型的夾緊形式進(jìn)行了總變形和殘余應(yīng)力分布的比較。結(jié)果表明，邊緣夾緊形式比角形夾具具有更好的性能。在邊緣夾緊形式中，橫向夾緊比縱向夾緊在保證尺寸精度方面起著主導(dǎo)作用。在分析殘余應(yīng)力分布的基礎(chǔ)上，只有橫向夾緊的夾緊形式才能得到最小的殘余應(yīng)力分布。
絲材-電弧增材制造使我們能夠建立完全致密的金屬零件，主要通過(guò)在各層之間采用焊接過(guò)程沉積材料。大部分情況下，電弧增材制造過(guò)程中，焊槍始終保持垂直方向，這就要求相應(yīng)設(shè)備系統(tǒng)具備一定輔助功能，并盡可能要求在沉積過(guò)程中的各部分的相互協(xié)同移動(dòng)。
冷金屬過(guò)渡技術(shù)一經(jīng)提出就受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，認(rèn)為其特別適合用于電弧增材制造研究，進(jìn)而CMT電弧增材制造技術(shù)一直是近幾年國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。卜星等人正是利用冷金屬過(guò)渡技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了電弧增材制造成形系統(tǒng)，同時(shí)利用搭建的系統(tǒng)研究焊接參數(shù)對(duì)焊縫熔寬和層間增高量的影響。與此同時(shí)，孫斌等研究了適合于316L絲材電弧增材的保護(hù)氣和不同焊接參數(shù)下316L焊絲的成形性，確定了適合于316L電弧增材的保護(hù)氣為98%Ar+2%O2，以及良好成形性的工藝參數(shù)范圍與組織特點(diǎn)，利用電弧增材制造了合格的帶頸法蘭件，如圖a所示。Almeida等人進(jìn)行了Ti—6Al—4V材料的單墻體結(jié)構(gòu)電弧增材制造試驗(yàn)，如圖b所示，并分析了成形零件的組織性能。Kazana等人打破了電弧增材制造只能采用平焊位置的局限，證明了全位置電弧增材制造的可行性，如圖c所示，制造過(guò)程中不添加任何支撐，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電弧增材制造提供了有力支持。同樣在英國(guó)克蘭菲爾德大學(xué)的S. W. Williams等人基于CMT技術(shù)，對(duì)電弧增材制造展開(kāi)了一系列研究，其成形件如圖d所示。
（2）非熔化極氣體保護(hù)增材制造（GTA—AM） 非熔化極惰性氣體保護(hù)焊（GTAW）作為一種常用的電弧焊接方法，由于其相對(duì)飛濺較小、獨(dú)立控制熱源和送絲系統(tǒng)等優(yōu)勢(shì)，有些研究人員也嘗試采用其展開(kāi)相應(yīng)增材制造工藝研究。該成形方法的技術(shù)基礎(chǔ)即為填絲鎢極氬弧多層多道焊，由穩(wěn)定的鎢極氬弧提供電弧熔化熱，同時(shí)具備配合獨(dú)立于焊接設(shè)備的同步不斷送進(jìn)的焊接材料，形成具有一定幾何尺寸的致密的單層焊縫，層層堆疊，形成一定幾何形狀的構(gòu)件。
Oguzhan Y使用脈沖電流GTAW增材制造的方式制造不銹鋼部件，使用AISI 308LSi不銹鋼焊絲。研究中通過(guò)比較脈沖頻率和其他沉積工藝參數(shù)對(duì)增材制造組件的形態(tài)和微結(jié)構(gòu)特性的影響，得到的結(jié)果表明，通過(guò)脈沖電弧電流制造的沉積樣品通常具有更細(xì)的晶粒，高殘留鐵素體和不存在柱狀晶粒。脈沖頻率對(duì)制造部件的表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)有顯著的影響。
黃丹等對(duì)5A06鋁合金GTA—AM工藝進(jìn)行了研究，選用φ1.2mm的5A06鋁合金焊絲作為成形材料，以TIG交流模式焊機(jī)為電源，以四軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)構(gòu)為運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，建立了單層單道基板預(yù)熱溫度和電弧峰值電流工藝規(guī)范判據(jù)。研究結(jié)果表明，成形件層間組織為細(xì)小的樹(shù)枝晶和等軸晶，力學(xué)性能具有各向同性。M, Santangelo等搭建了圖5所示的試驗(yàn)平臺(tái)，將焊槍、送絲器和機(jī)械臂連接在一起，從增材制造控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)到工藝研究等方面展開(kāi)系列研究，機(jī)器人被設(shè)定為數(shù)字輸出，重點(diǎn)描述焊接材料的材料特性，表征了焊接電弧的效率。
電弧增材制造應(yīng)用現(xiàn)狀：
近年來(lái)，WAAM技術(shù)在國(guó)外發(fā)展相對(duì)成熟，許多大型航空航天企業(yè)及高校積極開(kāi)發(fā)WAAM技術(shù)，制造了大型金屬結(jié)構(gòu)件�？巳R菲爾德大學(xué)采用MIG電弧增材制造技術(shù)制造鈦合金大型框架構(gòu)件（見(jiàn)圖6），沉積速率達(dá)到每小時(shí)數(shù)千克，焊絲利用率高達(dá) 90%以上，該產(chǎn)品的成形時(shí)間僅需1h，產(chǎn)品缺陷很少。歐洲空中客車（Airbus）、龐巴迪（Bombardier）、英國(guó)宇航系統(tǒng)（BAE system）以及洛克希德·馬丁英國(guó)公司 （Lockheed Martin-UK）、歐 洲 生 產(chǎn) 商（MBDA）和法國(guó)企業(yè)Astrium等，均利用WAAM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鈦合金以及高強(qiáng)鋼材料大型結(jié)構(gòu)件的直接制造，大大縮短了大型結(jié)構(gòu)件的研制周期。L.Martin以ER4043焊絲為原料，采用電弧增材的方法研制出了大型錐形筒體，高約380mm；Bombardier采用電弧增材技術(shù)在大型平板上直接制造了大型的飛機(jī)肋板，長(zhǎng)約 2.5m，寬約1.2m。
國(guó)內(nèi)武漢天昱智能制造有限公司研發(fā)出基于電弧3D打印核心專利技術(shù)，進(jìn)行自主開(kāi)發(fā)的集電弧/等離子弧/激光于一體的微鑄鍛復(fù)合3D打印大型設(shè)備，可打印金屬范圍5000mm×2000mm×1500mm，涵蓋大、中、小各種規(guī)格不同材料復(fù)雜樣件。英國(guó)的核電站增材制造自動(dòng)化單元由庫(kù)卡六軸機(jī)器人組成，在φ3.5m的轉(zhuǎn)盤上裝載著二軸機(jī)械手，機(jī)器人通過(guò)進(jìn)行“TOPTIG”電弧焊的方式來(lái)完成增材制造，系統(tǒng)中集成了金屬焊絲送入焊槍，機(jī)器人按照計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型的路徑來(lái)創(chuàng)建三維幾何形狀。該系統(tǒng)可用于制造大型泵和閥的殼體或壓力容器，有效降低初始成本和避免昂貴的鍛件或鑄件。
金屬電弧增材制造發(fā)展趨勢(shì)
實(shí)踐證明，電弧增材制造技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益非常大，應(yīng)用前景也十分廣闊。隨著研究廣度和深度進(jìn)一步拓展，對(duì)電弧增材制造技術(shù)的研究將重點(diǎn)集中在以下幾個(gè)方面。
（1）優(yōu)化工藝 對(duì)成形工藝、成形系統(tǒng)、成形材料之間的關(guān)系進(jìn)行深入研究，優(yōu)化成形工藝，實(shí)現(xiàn)焊接技術(shù)與數(shù)控加工之間有效集成。開(kāi)發(fā)更加先進(jìn)的控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)熔滴的幾何尺寸、過(guò)渡速度和溫度的有效控制；進(jìn)一步研究薄壁復(fù)雜件成形過(guò)程中焊接熱應(yīng)力對(duì)成形質(zhì)量的影響。
（2）開(kāi)發(fā)更加穩(wěn)定的系統(tǒng) 研發(fā)控制精度高、可靠性好、柔性高的閉環(huán)控制成形系統(tǒng)。系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控焊槍在成形過(guò)程中的位置，自動(dòng)調(diào)整焊接工藝參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)執(zhí)行過(guò)程各環(huán)節(jié)進(jìn)行控制。同時(shí)，將多種焊接工藝、多軸CNC加工單元結(jié)合在一起，以提高焊接效率，提高成形件的精度，并可以實(shí)現(xiàn)快速成形功能梯度材料的金屬成形件。研發(fā)先進(jìn)的焊接機(jī)器人技術(shù)，從而進(jìn)一步擴(kuò)大焊接成形范圍。
（3）開(kāi)發(fā)配套成形材料 電弧增材制造成形技術(shù)幾乎沒(méi)有專門的成形材料，仍然在沿用結(jié)構(gòu)鋼焊接材料，難以實(shí)現(xiàn)多功能、復(fù)雜化的要求，因此開(kāi)發(fā)系列化和專業(yè)化的成本低、強(qiáng)度高、成形性能好又能滿足成形功能化金屬成形件成形材料就成了當(dāng)務(wù)之急。
（4）提升產(chǎn)品質(zhì)量 未來(lái)，隨著金屬電弧增材制造機(jī)理的拓展深化和金屬電弧增材制造工藝的深入研究，電弧增材制造的效率將會(huì)得到明顯改善，金屬電弧增材制造的致密度會(huì)得到大大提升，零件的力學(xué)性能會(huì)得到提高，表面質(zhì)量和其他物理性能也會(huì)得到改善。
基于電弧的金屬結(jié)構(gòu)3D打印技術(shù)，未來(lái)很有希望成為一種生產(chǎn)小批量、特殊合金部件的方法，甚至是在實(shí)際產(chǎn)品制造中都有可能廣泛被使用。因其與傳統(tǒng)工藝（包括鍛造和鑄造）的整體成本相比，在材料損耗和成本節(jié)約方面優(yōu)勢(shì)顯著，從零件的概念化到最終制造的生產(chǎn)時(shí)間將大大減少。但也有一定的局限性，表現(xiàn)為，基于熔化金屬實(shí)現(xiàn)的金屬結(jié)構(gòu)3D打印，目前它更適合塑性好的金屬材料，對(duì)于難焊金屬材料的電弧增材還有很多困難，還需要大量的研究和驗(yàn)證。
