吳濤，武子琴，閆歡，毛亞寧，汪殿龍，2，梁志敏，2，王立偉，2＊

1.河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 河北石家莊 050018

2.河北省材料近凈成形技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河北石家莊 050018

1 序言

從1925年BAKER[1]等首次在電弧熱源的基礎(chǔ)上進(jìn)行金屬“3D打印”開(kāi)始，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，增材制造技術(shù)在制造業(yè)中得到了廣泛認(rèn)可[2]。增材制造（Additive Manufacturing，AM）以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)在計(jì)算機(jī)的協(xié)助下，通過(guò)逐層成形，分層堆積的方式，直接制造出復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，跳過(guò)了生產(chǎn)步驟，這就使得產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期更短，并能滿(mǎn)足定制個(gè)性化產(chǎn)品需求[3-5]。金屬材料的增材制造是增材制造領(lǐng)域的重要一環(huán)，也是增材制造領(lǐng)域的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。根據(jù)金屬增材制造所用材料的外形不同，可分為粉末材料、絲線材料和塊狀材料[6]。弧絲增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing，WAAM）屬于金屬“3D打印”技術(shù)，它的基礎(chǔ)單元是一段連續(xù)的“線”，以電弧為熱源將絲材熔敷成設(shè)定的形狀，在此基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)修剪即可達(dá)到要求，通過(guò)合理的空間設(shè)計(jì)可高效準(zhǔn)確地制造出需要的構(gòu)件[7-9]。近年來(lái)，WAAM因其具有高沉積率、低設(shè)備成本、高材料利用率和環(huán)境友好性等優(yōu)點(diǎn)而日益受到工業(yè)制造領(lǐng)域的關(guān)注[10]。

在全球工業(yè)4.0的背景下，越來(lái)越多的學(xué)者通過(guò)改進(jìn)設(shè)備、新技術(shù)研發(fā)等手段改進(jìn)或提高焊絲的熔敷效率提高產(chǎn)品制造效率[11]。一般來(lái)說(shuō)，影響電弧增材制造成形效率的因素包括送絲量、送絲速度、熔敷速度、熔敷功率、路徑規(guī)劃、工裝設(shè)計(jì)等，使用多絲電弧增材技術(shù)便是提高效率的一種選擇。相比于單絲電弧增材系統(tǒng)（如TIG焊、MIG焊）使用單一焊絲增材，多絲電弧增材技術(shù)使用兩根及以上的焊絲并在必要時(shí)配以多個(gè)電源進(jìn)行增材。由于多絲電弧增材技術(shù)可以采用異質(zhì)焊絲的特點(diǎn)，這就為增材成分調(diào)控提供了基礎(chǔ)。

本文綜述了國(guó)內(nèi)外學(xué)者為兼顧多絲電弧增材制造技術(shù)的高熔敷效率與低熱輸入和控制熔滴平穩(wěn)過(guò)渡而做出的改進(jìn)與發(fā)展，列舉了異質(zhì)多絲合金化研究現(xiàn)狀，分析了其優(yōu)缺點(diǎn)和存在的主要問(wèn)題，并展望了未來(lái)多絲增材制造的發(fā)展趨勢(shì)。

2 多絲電弧增材制造技術(shù)的發(fā)展與改進(jìn)

2.1 高熔敷率和低熱輸入的兼顧

為了尋求更高的熔敷效率，1955年美國(guó)Union Carbide & Carbon Corp公司研制出了Tandem焊接方法。Tandem焊接系統(tǒng)是集合了兩臺(tái)焊接電源，在焊絲側(cè)面安裝了一個(gè)與焊絲共同行走的銅電極，在增材時(shí)產(chǎn)生雙電弧，提高了熔敷效率[12]。1966年THOMAS等[13]在Tandem焊接的基礎(chǔ)上，將銅電極改進(jìn)成了焊絲，使用兩臺(tái)送絲機(jī)產(chǎn)生雙電弧的焊接方法。在Tandem焊系統(tǒng)增材時(shí)，兩根焊絲的電流由兩個(gè)互相獨(dú)立控制的電源提供，兩焊絲相互絕緣，由電源波形控制交替過(guò)渡。圖1所示為T(mén)andem焊增材系統(tǒng)。

圖1 Tandem焊增材系統(tǒng)

石俊彪等[14]采用 Tandem-GMAW 系統(tǒng)電弧增材制造試驗(yàn)，選用直徑1.2mm的ER2319焊絲，選用6060鋁合金增材基板，探究了不同的基板厚度、預(yù)熱溫度和邊緣距離對(duì)網(wǎng)格壁板基層成形寬度的影響。這三個(gè)關(guān)鍵的溫度因素影響了Tandem-GMAW電弧增材制造單層的形貌，在邊緣一側(cè)產(chǎn)生熱量積累，致使溫度升高產(chǎn)生高溫區(qū)，降低局部的性能。

Time twin是與Tandem類(lèi)似的一種雙絲焊接系統(tǒng)，是通過(guò)將兩根分別控制的焊絲集成在同一焊槍噴嘴上來(lái)實(shí)現(xiàn)更好焊接的過(guò)程。與Tandem的雙焊絲交替過(guò)渡不同的是，Time twin采用雙絲同時(shí)過(guò)渡，形成共同的熔池[15]，可以根據(jù)需要，前絲和后絲采用不同直徑不同類(lèi)別的焊絲改善增材結(jié)構(gòu)件的表面形貌。前絲選用粗焊絲，實(shí)現(xiàn)高的熔敷效率，后絲選用細(xì)焊絲進(jìn)行修飾。鄒鵬遠(yuǎn)等[16]采用福尼斯Time twin系列焊機(jī)，采用直徑1.2mm的MG70S-6 和QD266兩種焊絲經(jīng)過(guò)參數(shù)摸索與優(yōu)化，制備出了7層的試樣。圖2為福尼斯Time twin焊機(jī)焊槍。由于試樣底部受到熱積累作用，散熱具有方向性，導(dǎo)致晶粒生長(zhǎng)具有方向性，顯微組織為粗大的樹(shù)枝晶及胞狀晶。

圖2 福尼斯Time twin焊槍 [16]

林方略[17]采用附加保護(hù)氣體的雙絲MIG焊進(jìn)行增材制造研究，增材平臺(tái)如圖3所示，選用不銹鋼焊絲，通過(guò)調(diào)整MIG電源的電流波形、增材速度和氣體流量進(jìn)行試驗(yàn)，并比較各個(gè)參數(shù)下的成形組織和力學(xué)性能。在綜合比較后選用均值335A、基值電流差值60A的電流參數(shù)下完成了4組直壁墻試樣，如圖4所示。試樣整體表面粗造，有周期性的魚(yú)鱗紋存在。雖然采用335A大電流，提高了熔敷效率，但也導(dǎo)致熱輸入較大，顯微組織粗大。

圖3 雙絲MIG焊增材制造系統(tǒng)平臺(tái)[17]

圖4 雙絲MIG焊增材試樣 [17]

為了解決電弧增材時(shí)熔敷效率和熱輸入之間的矛盾關(guān)系，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的耿正等[18]提出了一種高熔敷率、低熱輸入的Tri-Arc雙絲電弧系統(tǒng)。Tri-Arc是一種采用三臺(tái)焊接電源、兩根焊絲產(chǎn)生三電弧的焊接方法。如圖5所示，VPPS、PPS1、 PPS2分別是一可變極性電源和兩個(gè)直流脈沖電源，通過(guò)三臺(tái)電源之間進(jìn)行相互協(xié)調(diào)，控制電源的極性和脈沖關(guān)系，可以建立三條電弧。三條電弧分別是焊絲E1與工件所產(chǎn)生的電弧A1、焊絲E2與工件所產(chǎn)生的電弧A2，以及焊絲E1和焊絲E2產(chǎn)生的電弧M。部分電流會(huì)從兩根焊絲之間流過(guò)，降低了熱輸入，M弧的存在也保證了熔敷率。

圖5 Tri-Arc增材系統(tǒng)示意[18]

張杰等[19]采用直徑1.6 mm的Fe-Cr-C-B系焊絲，對(duì)Tri-Arc雙絲電弧堆焊工藝進(jìn)行了研究，探究了不同焊接參數(shù)對(duì)堆焊成形形貌和組織的影響，并用高速攝像對(duì)M弧形態(tài)進(jìn)行觀察，如圖6所示。研究發(fā)現(xiàn)，Tri-Arc 雙絲三電弧Fe-Cr-C-B系焊絲堆焊時(shí)熔滴過(guò)渡穩(wěn)定，堆焊組織均勻，有彌散分布的加強(qiáng)相，并具有出色的耐磨性。

圖6 高速攝像拍攝的M弧形態(tài) [19]

Tandem、Time twin、雙絲MIG、Tri-Arc在提高熔敷率的同時(shí)必然會(huì)增加對(duì)母材的熱輸入，從而對(duì)增材制造結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能和微觀組織存在不利的影響。為了解除傳統(tǒng)電弧在增材時(shí)傳熱、傳質(zhì)和傳力方面固有的約束，近幾年又出現(xiàn)眾多新型的間接電弧焊接方法。與Tri-Arc所采用三臺(tái)電源，通過(guò)控制使部分電流從雙焊絲之間流過(guò)不同的是，間接電弧是直接在雙焊絲之間建立電弧，電流直接從兩個(gè)焊絲之間流過(guò)的一種焊接方法。通過(guò)調(diào)節(jié)工件與雙焊絲之間的距離來(lái)調(diào)節(jié)間接電弧的熱輸入，圖7為傳統(tǒng)電弧焊和雙絲間接電弧焊的對(duì)比。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王軍等[20]改造了傳統(tǒng)的TIG焊，設(shè)計(jì)出了一套非熔化極（鎢極）-熔化極間接電弧焊系統(tǒng)并對(duì)其過(guò)渡特點(diǎn)進(jìn)行了研究。當(dāng)電流增大到一定程度并且熔化極焊絲的送絲速度也達(dá)到最佳時(shí)，熔滴便會(huì)穩(wěn)定、快速過(guò)渡完成增材過(guò)程。但由于鎢電極對(duì)電流的承載能力不足，該系統(tǒng)仍然局限在有限的熔敷效率之中。在對(duì)焊接過(guò)程中傳熱、傳質(zhì)及傳力可控的研究中，山東大學(xué)鄒增大、曹梅青和史傳偉等[21-25]提出了圖7b所示的直流雙絲間接電弧焊工藝，雖然熔敷效率提升了，但由于雙絲之間直接通電會(huì)產(chǎn)生較大的熱輸入，電磁力會(huì)影響熔滴過(guò)渡的形態(tài)，陰極與陽(yáng)極產(chǎn)生的熔滴會(huì)相互排斥，從而產(chǎn)生并列的熔滴，將其用于增材制造中會(huì)產(chǎn)生過(guò)渡不穩(wěn)、成形過(guò)程較差，以及增材試樣形貌不好的問(wèn)題，距離該方法大規(guī)模應(yīng)用到增材制造領(lǐng)域還有很大的差距。

圖7 傳統(tǒng)電弧焊和雙絲間接電弧焊

2.2 熔滴穩(wěn)定過(guò)渡的調(diào)控

雖然間接電弧的出現(xiàn)平衡了電弧增材時(shí)傳熱、傳質(zhì)的矛盾，但存在著熔滴過(guò)渡不穩(wěn)的問(wèn)題，為了尋求更穩(wěn)定的過(guò)渡，許多學(xué)者通過(guò)添加磁場(chǎng)、添加等離子弧和添加激光輔助的方法對(duì)間接電弧進(jìn)行改良。山東建筑大學(xué)謝岳良等[26]從外加磁場(chǎng)改變電弧形態(tài)及熔滴過(guò)渡行為角度出發(fā)，對(duì)加磁場(chǎng)的直流間接電弧的電弧行為和熔滴過(guò)渡進(jìn)行了研究。在雙絲末端加入了可控的磁場(chǎng)，對(duì)熔滴施加磁場(chǎng)力。在磁場(chǎng)作用下，熔滴過(guò)渡更加平穩(wěn)，電弧更緊湊，并且成形形貌更好。謝岳良的方案雖然能有效地控制熔滴過(guò)渡，但是熔滴帶給母材的熱輸入量不足。

北京工業(yè)大學(xué)張亮等[27]提出了交叉耦合電弧焊（見(jiàn)圖8），采用雙電源，建立兩個(gè)電弧即非熔化極（即鎢極）與基板之間建立電弧，在雙焊絲之間添加等離子弧進(jìn)行調(diào)控，雙焊絲之間產(chǎn)生間接電弧，間接電弧與底部沒(méi)有電路。等離子弧和間接電弧參數(shù)可單獨(dú)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了工件熱輸入、金屬傳質(zhì)和電弧力的解耦控制。

圖8 交叉耦合電弧增材系統(tǒng)示意[27]

北京工業(yè)大學(xué)王立偉[28]采用激光輔助交流雙絲間接電弧焊的方法進(jìn)行改善過(guò)渡。由于陰陽(yáng)兩極極性的差異，產(chǎn)熱條件不同，兩極的焊絲熔化速度不同。通過(guò)計(jì)算并匹配雙絲同步送進(jìn)，使兩焊絲產(chǎn)生的熔滴交替過(guò)渡并經(jīng)過(guò)相同的位置（激光焦點(diǎn)處）。圖9所示為激光輔助交流雙絲間接電弧增材系統(tǒng)，通過(guò)改變激光的脈沖，在激光的照射下，過(guò)渡的熔滴受到蒸汽反沖力的作用，促使熔滴沿激光照射的方向過(guò)渡。并且激光照射產(chǎn)生的功率也可以對(duì)增材基板加熱，調(diào)節(jié)熱輸入，改善成形質(zhì)量。

圖9 激光輔助交流雙絲間接電弧增材系統(tǒng)示意[28]

上述工藝針對(duì)熔滴過(guò)渡不穩(wěn)的情況，采用磁場(chǎng)、等離子弧和激光束對(duì)熔滴過(guò)渡進(jìn)行調(diào)控，改善了熔滴過(guò)渡，穩(wěn)定了電弧，但對(duì)等離子弧和激光準(zhǔn)確度要求較高，整體設(shè)備復(fù)雜，成本較高，依舊不適合大規(guī)模應(yīng)用。

3 異質(zhì)多絲合金化研究現(xiàn)狀

隨著社會(huì)的發(fā)展，科技的進(jìn)步，現(xiàn)代工業(yè)對(duì)零部件有了更高的要求，由于多絲增材技術(shù)采用兩根及以上的焊絲進(jìn)行增材，因此為增材成分調(diào)控提供了可能。許多學(xué)者通過(guò)改進(jìn)、設(shè)計(jì)各種增材機(jī)構(gòu)，采用異質(zhì)雙多絲焊絲進(jìn)行增材制造。為了得到高性能的鋁合金增材組織，眾多學(xué)者對(duì)異質(zhì)Ti-Al、Al-Cu、AL-Mg-Cu、Al-Mg-Cu-Zn合金以及高熵合金的增材制造進(jìn)行了研究。

鈦鋁合金性能獨(dú)特，是航空航天行業(yè)的重要材料，但由于其室溫塑韌性低，無(wú)法拉拔為絲材進(jìn)行增材制造。為了得到鈦鋁合金，劉齊等[29]采用雙絲WAAM，以直徑1.2mm的純鈦絲和純鋁絲成功增材出Ti-48Al試樣，圖10為堆積試樣。經(jīng)過(guò)XRD分析，該試樣由較高含量的 γ-TiAl相和較低含量的 α2-Ti3Al 相組成。試樣的橫向抗拉強(qiáng)度為380MPa，縱向抗拉強(qiáng)度為275MPa，并具有不錯(cuò)的抗氧化性能。

圖10 Ti-48Al堆積試樣整體及局部位置的光鏡組織照片[29]

劉焜[30]設(shè)計(jì)了一套雙絲CMT增材裝置，在原有CMT焊槍基礎(chǔ)上的加裝副焊槍?zhuān)鐖D11所示。主焊槍采用CuSi28L焊絲，副焊槍采用ER4043焊絲增材出了Al-Cu合金。用該方法所增材制造的試件，經(jīng)XRD分析存在Cu、Cu9Al4、CuAl2和SiO2四種相，顯微硬度均值達(dá)到220HV。試樣的拉伸性能存在方向性，垂直方向的極限抗拉強(qiáng)度達(dá)到444.1MPa、伸長(zhǎng)率11.6%，高于水平方向的極限抗拉強(qiáng)度287.4MPa和伸長(zhǎng)率8.2%。

圖11 雙送絲結(jié)構(gòu)單元[30]

北京航空航天大學(xué)祁澤武等[31]采用鎢極為熱源，進(jìn)行雙絲填充增材（D-WAAM），雙送絲機(jī)同時(shí)送入ER2319(Al-6.3Cu)焊絲和ER5356(Al-5Mg)焊絲，獲得了三元Al-3.6Cu2.2Mg、Al-4Cu-1.8Mg、Al-4.4Cu-1.5Mg鋁合金直壁墻，微觀組織主要由α-Al和S相(Al2CuMg)組成，其硬度分別達(dá)到86HV、90HV和95HV。拉伸性能表現(xiàn)出各向同性，水平方向和垂直方向的極限抗拉強(qiáng)度相差不大，達(dá)到280MPa。其鎢極雙送絲結(jié)構(gòu)單元如圖12所示。

圖12 鎢極雙送絲結(jié)構(gòu)單元[31]

與鈦鋁合金類(lèi)似，7系鋁合金由于強(qiáng)度高，無(wú)法制成絲材進(jìn)行增材制造，YU Zhanliang[32]采用鎢極為熱源，在祁澤武基礎(chǔ)上進(jìn)行三絲填充增材，如圖13所示，分別選用ER2319焊絲、ER5356和純Zn絲，制備出了7050 鋁合金構(gòu)件。分析結(jié)果表明，電弧增材的7050合金主要由α-Al、S (Al2CuMg)、η(MgZn2)相和θ (CuAl2)相組成。各個(gè)元素的含量與標(biāo)準(zhǔn)7050鋁合金相同。增材合金上下部分顯微組織有明顯差異，上部為等軸晶結(jié)構(gòu)，下部主要由柱狀晶組成。其力學(xué)性能優(yōu)異，平均硬度為106HV，水平方向和垂直方向抗拉強(qiáng)度分別達(dá)241MPa和160MPa。斷口表現(xiàn)出典型的脆性斷裂特征，YU Zhanliang詳細(xì)解釋了其力學(xué)性能各向異性的原因。

圖13 鎢極三絲增材系統(tǒng)和試樣分析方法[32]

高熵合金是航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)中的關(guān)鍵材料，為了得到性能優(yōu)異的增材制造結(jié)構(gòu)件，石家莊鐵道大學(xué)的趙陽(yáng)[32]將含有合金元素的金屬帶和金屬粉制成了兩根焊絲，以Tandem雙絲電弧焊進(jìn)行增材制造出了Al-Cr-Fe-Co-Ni-Mo、Al-Cr-Fe-Co-Ni-Nb、Al-Cr-Fe-Co-Ni-Mo和Al-Ti-Cr-Fe-Co-Ni-Mo共4種高熵合金，并對(duì)其性能進(jìn)行了分析。SHEN Qingkai[33]采用纜線多絲電弧增材（見(jiàn)圖14）的方法增材制造出了Al-Co-Cr-Fe-Ni高熵合金。由7根0.6mm的絲材制成的直徑1.8mm焊絲用CMT焊機(jī)進(jìn)行增材。由于CMT快速冷卻的特點(diǎn)，所增材出的高熵合金表現(xiàn)出高的強(qiáng)度和延展性，其中壓縮強(qiáng)度達(dá)到約2.8GPa，塑性應(yīng)變達(dá)到42%。

圖14 纜線多絲電弧增材制備高熵合金[33]

4 總結(jié)和展望

為了提高多絲電弧增材制造的熔敷率、降低熱輸入，眾多學(xué)者對(duì)傳統(tǒng)多絲電弧增材制造方法進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)變換絲材與母材之間、多絲之間所構(gòu)成的電流回路，從根本上剝離傳統(tǒng)電弧傳質(zhì)與傳熱固有的依存關(guān)系。雙絲或多絲間接電弧增材應(yīng)運(yùn)而生，其具有更高的熔敷率和更低的熱輸入，但雙絲或多絲間接電弧增材仍舊存在成形不穩(wěn)，過(guò)渡不好，成形形貌較差的問(wèn)題，采用激光和等離子對(duì)熔滴進(jìn)行調(diào)控，雖然改善了過(guò)渡情況，但由于設(shè)備復(fù)雜，無(wú)法大面積應(yīng)用，所以這一問(wèn)題的解決方法還有待研究。因此，如何控制在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上通過(guò)熔滴的平穩(wěn)過(guò)渡來(lái)獲得高質(zhì)量成形是亟待解決的問(wèn)題。眾多學(xué)者采用異質(zhì)多絲電弧增材技術(shù)成功增材出了性能優(yōu)異的合金化金屬構(gòu)件，解決了部分合金無(wú)法做成絲材進(jìn)行增材制造的難題，為一些多元合金的增材提供了新的思路。