胡韜 郭純 何梓良 魏寶麗 陳豐

摘要：簡(jiǎn)要闡述了電弧增材制造技術(shù)的發(fā)展歷史，分析了國(guó)外電弧增材制造研究發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)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(jué)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(guó)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(guó)的Ribeiro等人對(duì)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(duì)后來(lái)的電弧增材制造技術(shù)造成了極大影響。其后的發(fā)展過(guò)程中得益于20世紀(jì)90年代以來(lái)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(guò)程中成形控制和性能控制這兩大問(wèn)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(guò)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(guò)程中會(huì)產(chǎn)生飛濺、形成多個(gè)氣孔等一系列問(wèn)題。

1.1 ? ?CMT（冷金屬過(guò)渡）技術(shù)

CMT（冷金屬過(guò)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(guò)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(lái)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(wèn)題，為此CMT技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。相對(duì)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(guò)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(guò)程為間斷輸送。在目前國(guó)內(nèi)外對(duì)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(guò)程中由于要進(jìn)行逐層堆疊工作，所以對(duì)于送絲速度、行焊路徑等的控制要求都比較高，送絲速度過(guò)快或者過(guò)慢都會(huì)對(duì)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(jué)傳感技術(shù)

電弧增材制造的過(guò)程是持續(xù)不斷的堆疊過(guò)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(guò)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(guò)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(lái)，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(guò)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(shì)。

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(wú)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(wèn)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(guò)高的熱積累會(huì)使外部環(huán)境極為不穩(wěn)定。針對(duì)熱積累導(dǎo)致的環(huán)境變化，要對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和及時(shí)反饋?；诖?，激光視覺(jué)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(duì)于激光視覺(jué)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(guò)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(guò)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(guó)外電弧增材制造研究發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)，國(guó)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(guò)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(zhǎng)、焊速等因素的變化來(lái)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(guó)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(tái)，以控制變量法來(lái)研究工藝參數(shù)對(duì)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(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電弧增材技術(shù)對(duì)于幾何形狀敏感度不大，表明在電弧增材制造過(guò)程中增材制造系統(tǒng)可以獨(dú)立運(yùn)行，不需要依賴(lài)于外界輔助。

2019年3月，來(lái)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(lái)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(guò)200 kg的鈦合金。

隨著現(xiàn)在各大研究機(jī)構(gòu)和高校對(duì)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(shì)得以慢慢體現(xiàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)階段，我國(guó)制造業(yè)飛速發(fā)展，對(duì)制造效率與產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來(lái)越高。在這種發(fā)展背景下，對(duì)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(shì)在未來(lái)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(jiǎn)介：胡韜（1999—），男，安徽休寧人，研究方向：增材制造。