电弧增材制造技术研究发展现状

胡韬 郭纯 何梓良 魏宝丽 陈丰

摘要：简要阐述了电弧增材制造技术的发展历史，分析了国外电弧增材制造研究发展现状，对电弧增材制造技术的发展前景进行了展望。

关键词：电弧增材;CMT技术;激光视觉传感技术

0 引言

电弧增材制造技术是一种建立在电焊技术基础上的智能化、数字化的连续堆焊技术，其原理是使用焊接工艺中普遍应用的气体保护焊技术，以高温电弧为热源，熔化作为原材料的丝材，再进行一层一层堆叠，最后形成所需的零件。

1 电弧增材制造技术的发展历史

增材制造技术根据所使用的热源不同，主要分为激光增材制造技术、电子束增材制造技术和电弧增材制造技术以及金属固相增材技术。其中，电弧增材制造技术是由德国科学家率先提出的一项新技术，该技术以金属焊丝为原料，采取埋弧焊接的方式，按照预先设计好的路径将融化的材料层层堆积，最后凝固成型，形成大尺寸零件。20世纪90年代，英国的Ribeiro等人对这项技术又进行了进一步发展，同时期的Spencer等人为了零件的快速制造也做了一些工艺上的研究，这些研究对后来的电弧增材制造技术造成了极大影响。其后的发展过程中得益于20世纪90年代以来的数字化和信息化技术的高速发展，在近30年的发展过程中成形控制和性能控制这两大问题的解决也使得电弧增材制造技术愈发成熟。

电弧增材制造技术采用传统的熔化极气体保护焊方式，其特点是热输入量较高，成型过程中输出热源反复在刚刚产生和成型的部位上移动，使其热积累量变高，使得材料在堆叠过程中会产生飞溅、形成多个气孔等一系列问题。

1.1    CMT（冷金属过渡）技术

CMT（冷金属过渡）技术的提出和应用则在一定程度上解决了上述难题。电弧增材的过程中由于丝材要熔化堆叠，在持续不断的堆叠中就难免会让熔池的热积累量越来越高，不断的热量输入所产生的热量积累可能会使熔池产生飞溅问题，为此CMT技术应运而生。相对于传统的气体保护焊，CMT技术产生的电弧温度和熔化丝材产生的熔滴温度比较低，主要得益于冷热循环交替原理。所谓冷金属过渡，是指数字控制方式下的断电弧和焊丝的换向送丝监控，换向送丝系统由前后两套协同工作的送丝机构组成，使焊丝的输送过程为间断输送。在目前国内外对于电弧增材制造技术的研究中，CMT技术被很多研究机构作为完善电弧增材制造技术的一个主要方向进行研究，并取得了一定的研究成果。

电弧增材制造过程中由于要进行逐层堆叠工作，所以对于送丝速度、行焊路径等的控制要求都比较高，送丝速度过快或者过慢都会对焊件产生较大影响，造成复杂曲面零件的加工成型的焊径规划困难，成型效率低。

1.2    激光视觉传感技术

电弧增材制造的过程是持续不断的堆叠过程，其成型硬件系统应包括热源、送丝系统和运动执行机构。上述系统组成的机构使得丝材原料可由点到体成型，在成型过程中有诸多因素影响成型结果，其中执行机构的行进速度、同向位移量、定位精度和稳定性等都是较为关键的影响因素。现阶段在执行机构方面使用较多的是机器人和数控机床。当然使用机器人和数控机床在一定程度上有着本质区别，在实际生产过程中以根据生产的零件特征选择使用哪一种执行机构。

近年来，计算机技术飞速发展，其中工业机器人的应用极大地提高了增材制造的效率和灵活性，尤其是CAD/CAM技术的发展使得制造过程中的自动化程度大大提高，利用CAD/CAM软件实现机器人自动编程，成为电弧增材制造技术发展的必然趋势。

电弧增材制造技术由于需要使用电弧焊技术，在一定程度上无法避免其产生加热半径大、热流密度低、热源强度高等问题，在持续不断的工作中，高强度的热源和低密度的热流将会产生持续不断的热积累，过高的热积累会使外部环境极为不稳定。针对热积累导致的环境变化，要对其进行实时监控和及时反馈。基于此，激光视觉传感技术的应用成为必然。

在现阶段的一些研究中，对于激光视觉传感系统在电弧增材制造技术上的应用变得愈发成熟，在电弧增材制造过程中可以实现全智能与数字化的监控与反馈，使整个电弧增材制造过程的控制更加稳定，使得材料成型的成功率更高，成型的完整性更好。

2 国外电弧增材制造研究发展现状

近年来，国外各大高校和研究机构在电弧增材制造方面的研究中，主要以材料组织结构、幾何成形能力、力学性能等研究为主。在工艺优化方面，以前文所提到的过程监控和实时反馈方向的研究较多，尤为关注送丝速度、层间温度的监控和反馈。Escobar-Palafox在钨极气体保护焊的研究中，以弧长、焊速等因素的变化来观察成型件的各种变化规律。研究结果显示在一定范围内合理控制焊丝直径、行焊速度、送丝速度等可以得到较好的成型件。英国的Kazanas等人利用电弧增材制造技术，使用六轴机器人配合，组建了增材制造系统平台，以控制变量法来研究工艺参数对几何形状的敏感程度。在保证一系列外部环境因素相同的条件下，形成了不同角度的斜薄壁件，最后通过实验结果发现，电弧增材技术对于几何形状敏感度不大，表明在电弧增材制造过程中增材制造系统可以独立运行，不需要依赖于外界辅助。

2019年3月，来自泰雷兹阿莱尼亚宇航公司（Thales Alenia Space）、克兰菲尔德大学和Glenalmond Technologies公司的一个团队成功利用了电弧增材制造技术制造出了第一个全尺寸钛压力容器原型。该压力容器高约1 m，重约8.5 kg，将用于未来空间探索载人任务。假如利用传统制造工艺生产，其使用的原材料将会是最终成品质量的30倍左右。而使用电弧增材制造技术，每件产品能够节约超过200 kg的钛合金。

随着现在各大研究机构和高校对于电弧增材制造技术的研究逐渐深入，电弧增材制造技术在制造行业的优势得以慢慢体现。

3 结语

现阶段，我国制造业飞速发展，对制造效率与产品质量的要求越来越高。在这种发展背景下，对于新兴制造技术的探索与使用显得尤为重要。相信电弧增材制造技术凭借其高效化、自动化的优势在未来制造业将得到全面推广与应用。

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收稿日期：2020-01-13

作者简介：胡韬（1999—），男，安徽休宁人，研究方向：增材制造。