張含嫣， 熊 俊， 陳 勇， 陳 輝

1.西南交通大學，四川 成都 610031

2.成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司，四川 成都 610092

0 前言

現(xiàn)代化高端裝備制造業(yè)是為我國基礎工業(yè)提供技術(shù)裝備的重要產(chǎn)業(yè)，其非常依賴以鑄錠冶金、塑性成形、機械加工為主的傳統(tǒng)制造技術(shù)，制造流程復雜、材料利用率低、周期長、成本高，由此激發(fā)了對綠色、低成本、短周期、高效率金屬增材制造技術(shù)的迫切需求［1］。世界工業(yè)強國紛紛將增材制造作為未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展新的增長點，制定了發(fā)展增材制造的國家戰(zhàn)略和具體推動措施，力爭搶占未來科技和產(chǎn)業(yè)制高點?！吨袊圃?025》重點領(lǐng)域技術(shù)路線圖明確提出要重點發(fā)展增材制造工藝與裝備［2］，推進增材制造技術(shù)的快速健康發(fā)展已迫在眉睫。

電弧熔絲增材制造（Wire and Arc Additive Manufacturing，WAAM）是以電弧等離子體為熱源熔化金屬絲材，根據(jù)三維幾何模型逐層沉積成形制造出接近產(chǎn)品形狀和尺寸要求的金屬坯件，再輔以少量機械加工最終達到產(chǎn)品的使用要求［3］。與激光、電子束熔粉增材制造相比，電弧增材制造具有成形效率高（優(yōu)于500 cm3/h）、制造成本低、自由度較高、易于進行結(jié)構(gòu)件修復等優(yōu)勢，非常適合中大尺寸金屬構(gòu)件的制造［4-7］，在航空航天、船舶制造、汽車工業(yè)等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。電弧增材制造載能束主要有熔化極電?。℅as Metal Arc，GMA）、鎢極氬?。℅as Tungsten Arc，GTA）和等離子?。≒lasma Arc，PA）。

近年來電弧增材制造技術(shù)取得了長足進步，但一些關(guān)鍵基礎科學問題尚未完全解決，其中沉積層熱輸入（包括弧柱區(qū)的熱傳導和輻射、電弧陽極或陰極產(chǎn)熱、絲材熔化為熔滴攜帶的能量）與成形效率（單位時間內(nèi)熔化的絲材量）的解耦控制已成為制約該技術(shù)發(fā)展和應用的瓶頸。在電弧增材制造中，電弧的能量一部分用于熔化絲材，其余則主要用于熔化沉積層［8］。為了提高成形效率，需要增加電弧電流以促進絲材熔化，但同時也增大了沉積層的熱輸入。即電弧增材制造的高成形效率是以增加沉積層熱輸入為代價的，由此引發(fā)了沉積層熱損傷大、熱積累嚴重等問題，致使熔池穩(wěn)定性差、沉積層坍塌、沉積層顯微組織粗大與力學性能惡化［9-12］。為降低沉積層的熱輸入，一般采用小電弧電流［13］或延長層間等待時間［14］，但這兩種方法均存在明顯的不足，即以犧牲成形效率為代價來降低沉積層的熱輸入。由此可見，電弧增材制造的沉積層熱輸入與絲材熔化效率是強耦合的，兩者的解耦控制，即實現(xiàn)低熱輸入高效成形，是推進高性能關(guān)鍵部件電弧增材制造技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展和質(zhì)量提升必須解決的關(guān)鍵科學與技術(shù)難題。

近年來國內(nèi)外在電弧增材制造成形效率、成形過程熱積累、熱輸入控制等方面陸續(xù)開展了諸多研究，有必要對其進行整合總結(jié)，以期為后續(xù)研究提供借鑒與指導。本文主要分析了沉積層熱輸入與成形效率強耦合的主要原因，重點闡述了現(xiàn)有高效成形方法、熱積累控制方法、低熱輸入熱源的研究進展，指出了這些研究的特點與不足，并對未來電弧增材制造低熱輸入高效成形的主要發(fā)展方向進行了展望。

1 電弧增材制造高效成形方法

在絲材熔化效率控制方面，常用的策略是提高電弧電流，保證單位時間內(nèi)提供足夠能量熔化金屬絲材，但同時也增大了沉積層熱輸入。一種可行的方案是從熱絲或多絲角度提高電弧增材制造的成形效率。

1.1 熱絲電弧增材制造

熱絲增材制造的基本原理是在絲材送入熔池之前對其加熱，使之達到一定的預熱溫度，從而減少電弧用于熔化絲材的能量，因此能在電弧能量保持不變的情況下提高成形效率。絲材加熱方式主要有三種：電阻加熱、高頻感應加熱和電弧加熱。北京理工大學Liu等［15-16］采用電阻熱絲TIG增材制造技術(shù)制備了鋁合金薄壁構(gòu)件（見圖1a），研究表明，電阻熱絲可顯著降低鋁合金的孔隙率，極大地細化柱狀晶粒，熱絲電流從0 A到120 A，成形效率提高了約3.5倍。北京工業(yè)大學盧振洋等［17］提出了熱絲變極性PA增材制造技術(shù)（見圖1b），基于電弧加熱方式對鋁合金絲材進行預熱，實現(xiàn)了熔滴過渡可控和絲材的高效熔化，解決了電阻熱絲方法僅適用于高電阻率絲材預熱的難題。哈爾濱工業(yè)大學范成磊等［18］開發(fā)了一種鋁合金高頻感應熱絲TIG技術(shù)，基于電磁感應原理，利用高頻交變的電磁場，在焊絲表面近層形成高密度渦流，從而加熱焊絲，研究表明，與常規(guī)TIG焊相比，該工藝的焊接效率提高了約3倍以上，還可以消除傳統(tǒng)電阻熱絲TIG焊中的電弧磁偏吹現(xiàn)象。值得注意的是，熱絲增材制造雖然顯著提高了熔敷效率，但其在降低沉積層熱輸入方面并無顯著效果，還增加了制造成本與系統(tǒng)復雜度。

圖1 熱絲電弧增材制造方法Fig. 1 Method of hot-wire arc additive manufacturing

1.2 多絲電弧增材制造

多絲電弧增材制造技術(shù)是在傳統(tǒng)電弧增材制造工藝的基礎上同時熔化兩根及兩根以上的絲材，從而使單位內(nèi)熔化的金屬絲材量成倍增加，提高成形效率。根據(jù)是否使用額外電源，多絲電弧增材制造技術(shù)可分為多絲單電源和多絲多電源。西南交通大學Xiong等［19］提出了雙絲單GTA增材制造技術(shù)，將額外絲材送入不銹鋼GTA增材制造熔池（見圖2a），額外絲材消耗過熱熔池內(nèi)的多余能量，從而提高絲材熔化效率，減小沉積層熱損傷與熱積累，與單絲GTA增材制造比較，成形效率可提高0.5倍，不銹鋼構(gòu)件的抗拉強度提升16.14%。哈爾濱工業(yè)大學Han等［20］提出了雙絲單GMA增材制造技術(shù)，將第二根絲材送入GMA中（見圖2b），消耗電弧能量，從而提高絲材熔化效率，研究表明，雙絲GMA增材制造的成形效率是傳統(tǒng)電弧增材制造的1.65倍，沉積層熱損傷可降低28.6%。

圖2 多絲單電源增材制造方法Fig. 2 Multi-wire and single-power additive manufacturing method

多絲多電源增材制造最具代表性的工藝是Tandem雙絲增材制造。在Tandem雙絲增材過程中，兩焊絲相互絕緣，流入焊絲的電流由兩個互相獨立控制的電源提供。英國克蘭菲爾德大學Martina等［21］采用Tandem雙絲增材制造方法成形了馬氏體不銹鋼（見圖3a），成形效率是傳統(tǒng)電弧增材制造的2倍，最大成形效率可達9.5 kg/h，且能夠保持工藝穩(wěn)定，不銹鋼構(gòu)件無明顯缺陷。哈爾濱工業(yè)大學韓慶璘［22］在傳統(tǒng)單絲單電弧的基礎上，提出了雙絲雙GTA增材制造方法（見圖3b），雙電弧由兩臺獨立的電源供電，電弧相互吸引形成耦合電弧，將兩根絲材同時送入耦合電弧中，從而大幅提高GTA增材制造的成形效率。

圖3 多絲多電源增材制造方法Fig.3 Multi-wire and multi-power additive manufacturing method

綜上所述，多絲單電源增材制造方法可提高絲材熔化效率，減小沉積層熱損傷與熱積累。多絲多電源增材制造在單絲單電弧的基礎上，額外增加一套或多套同樣的送絲系統(tǒng)與電源，形成多絲多GMA或多絲多GTA增材制造方法，大幅提高了絲材熔化效率，但是額外電弧熱源的引入會增加沉積層的熱輸入與熱損傷。如何解除傳統(tǒng)電弧在增材時傳熱、傳質(zhì)和傳力方面的固有約束，實現(xiàn)沉積層熱輸入與絲材熔化效率的解耦控制，保障低熱輸入高效成形，是亟需攻克的難題。

2 電弧增材制造過程熱積累控制方法

電弧增材制造過程是電弧等離子體熔化絲材的反復堆積過程，存在熱輸入大、熱積累嚴重、擾動因素多等顯著特點。在成形過程熱積累控制方面，常規(guī)手段是采用小電弧電流［13］降低沉積層熱輸入或延長層間等待時間［14］來緩解熱積累。小電弧電流可減小電弧能量，從源頭上降低沉積層熱輸入，減小沉積層熱損傷，但限制了絲材熔化效率。延長層間等待時間能有效促進沉積層的熱傳導與輻射散熱，緩解沉積層熱積累（見圖4），降低層間溫度，提高熔池穩(wěn)定性與成形質(zhì)量，然而增加了電弧熄弧時間，也降低了絲材熔化效率。

圖4 不同層間等待時間下成形件溫度場［14］Fig.4 Temperature field of forming parts with different interlayer idle time［14］

與自然冷卻的被動冷卻方式比較，施加主動冷卻不失為一種有效降低成形熱積累的策略。對沉積層施加主動冷卻可減輕甚至完全消除沉積層熱積累，從而解決層間溫度過高引起的熔池穩(wěn)定性差、沉積層坍塌、顯微組織粗大與力學性能惡化等問題。同時，施加主動冷卻可縮短層間等待時間，直接提高電弧增材制造的成形效率。目前，主動冷卻的途徑主要有以下幾種：（1）基板通循環(huán)冷卻水；（2）強制氣流冷卻；（3）水浴增材制造；（4）熱電制冷。

基板循環(huán)水冷是降低基板及沉積層熱積累的可行方法。韓國蔚山大學Shin等［23］采用基板通循環(huán)冷卻水的方式（見圖5a）對鈦合金薄壁件電弧增材制造過程進行強制冷卻，研究了基板循環(huán)水冷對成形件微觀結(jié)構(gòu)和拉伸性能的影響，發(fā)現(xiàn)快速冷卻作用細化了晶粒尺寸，改善了拉伸和硬度性能。雖然基板循環(huán)水冷可有效降低基板及靠近基板處的沉積層熱積累，但對遠離基板的沉積層收效甚微。

通入低溫氣體對即將凝固的沉積層進行冷卻，可顯著降低沉積層的熱積累并提高成形精度。澳大利亞臥龍崗大學Wu等［24-26］利用CO2氣體對鈦合金GTA增材制造過程進行層間主動冷卻（見圖5b），顯著增加了沉積層的散熱能力，降低了沉積層的熱積累，結(jié)果表明，該方法可減少層間等待時間，提高成形效率，同時減小成形件的變形。但由于強制氣流冷卻需耗費大量低溫氣體，故工藝相對復雜、制造成本較高。斯洛文尼亞盧布爾雅那大學Kozamernik等［27］提出了基板循環(huán)水冷與沉積層通冷卻氣流的聯(lián)合冷卻方式，將沉積層層間溫度控制在設定值以下，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩者的結(jié)合顯著提高了成形效率，可實現(xiàn)小尺寸構(gòu)件的近凈成形制造，尺寸偏差僅為2%。

圖5 電弧增材制造過程熱積累控制的主動冷卻方法Fig.5 Active cooling method for heat accumulation control in wire and arc additive manufacturing

為完全消除沉積層的熱積累，近年來研究學者提出了水浴增材制造方法。重慶大學Luo等［28］在低合金鋼電弧增材制造過程中，采用水浴增材方法控制成形熱積累，與自然冷卻相比，該方法顯著提高了成形件的冷卻速率，降低了成形過程的峰值溫度。烏貝蘭迪亞聯(lián)邦大學Scotti等［29-30］將基板置于工作水箱中，隨成形高度的增加，逐漸提升冷卻水位（見圖5c），結(jié)果表明，水浴增材制造工藝可提高成形效率，改善成形質(zhì)量，減少成形件力學性能的各向異性。水浴增材制造技術(shù)提供了一種低成本的熱積累調(diào)控方法，有望完全消除成形熱積累，但成形件尺寸受制于水箱空間。德國亞琛工業(yè)大學Reisgen等［31］對比研究了水浴增材制造、強制氣流冷卻和氣溶膠冷卻對結(jié)構(gòu)鋼GMA增材制造成形熱積累的影響，結(jié)果表明，與自然冷卻相比，三種冷卻方法都顯著提高了沉積層的冷卻速率，實現(xiàn)了高效成形。其中水浴冷卻的效果最好，強制氣流冷卻次之，同時指出強制氣流冷卻只能適用于熄弧時刻，難以應用于原位電弧增材制造。

將熱電制冷器緊靠成形件側(cè)壁，通過熱電效應來制冷成形件的側(cè)表面也可降低電弧增材過程的熱積累。北京工業(yè)大學Chen等［32-33］將熱電冷卻系統(tǒng)引入電弧增材制造過程（見圖5d），旨在消除相鄰沉積層間的散熱差異，該技術(shù)為沉積層幾何形狀的調(diào)控提供了新的思路，避免了高層處熔池過熱而發(fā)生流淌，提高了成形效率，為解決成形質(zhì)量與效率的矛盾提供了一種可行方案。然而，該方法僅適用于直壁結(jié)構(gòu)的制造，無法應用于復雜路徑成形件。

綜上所述，與自然冷卻相比，施加主動冷卻可有效緩解甚至消除電弧增材制造過程的熱積累，在一定程度上減少層間等待時間，提高成形效率，適合中小尺寸構(gòu)件的電弧增材制造。但是，在大尺寸甚至超大尺寸金屬構(gòu)件的增材制造中，沉積層的熱傳導與輻射散熱時間足夠，并不存在明顯的熱積累，無需施加主動冷卻。

3 低熱輸入電弧增材制造熱源

從熱源本質(zhì)出發(fā)，在源頭上改變電弧熱源形式，從而調(diào)控熱輸入或電弧力是降低電弧增材制造沉積層熱輸入的有效方法，甚至有望實現(xiàn)沉積層熱輸入與絲材熔化效率解耦控制。

3.1 脈沖電弧增材制造

脈沖電弧增材制造通過控制輸出電流的波形可有效降低電弧熱輸入。哈爾濱工業(yè)大學Duan等［34］采用脈沖等離子弧增材制造工藝制備了鈦合金薄壁件（見圖6a），結(jié)果表明，與傳統(tǒng)GTA增材制造相比，脈沖等離子弧增材制造工藝減少了37%的熱輸入，提高了成形件的冷卻速率，緩解了成形過程的熱積累，為制造力學性能優(yōu)異的鈦合金件提供了新途徑。重慶理工大學Luo等［35］指出，脈沖電弧能促進小尺寸熔滴的形成，提高熔滴過渡的頻率，實現(xiàn)穩(wěn)定的脈沖GMA增材制造過程。南京理工大學Feng等［36］提出了雙脈沖電弧增材制造工藝（見圖6b），即采用一個高頻脈沖疊加一個低頻脈沖，高頻脈沖階段熔化金屬，低頻脈沖階段攪拌熔池、促進熔滴過渡，研究了低頻頻率對Al-Mg薄壁件組織及力學性能的影響，結(jié)果表明，在頻率為3 Hz時，成形的薄壁件幾乎沒有孔隙，且力學性能最優(yōu)。

圖6 脈沖電弧增材制造Fig.6 Wire and pulsed arc additive manufacturing

3.2 CMT增材制造

冷金屬過渡技術(shù)（Cold Metal Transfer，CMT）是Fronius公司于2004年研制的新型無飛濺焊接技術(shù)，與傳統(tǒng)GMA相比，CMT電弧短路瞬間電弧熄滅，電弧空間溫度和熔滴溫度較“冷”。因此，CMT增材制造具有熔滴過渡過程可控、熱輸入低、成形效率高等顯著優(yōu)點［37-38］。上海工程技術(shù)大學Nie等［39］對鋁合金CMT增材制造工藝進行了研究（見圖7），通過焊絲的機械回抽和短路時的電流控制，實現(xiàn)了穩(wěn)定的熔滴過渡和較低的沉積層熱輸入，獲得了精準的成形道幾何形狀和較低的焊道表面粗糙度，改善了成形件的微觀結(jié)構(gòu)和硬度。CMT目前有四種不同的電弧模式，分別為CMT、CMT Advanced、CMT Pulse和CMT Advanced Pulse。北京航空航天大學Cong等［40］研究了CMT電弧模式對Al-6.3%Cu合金薄壁件氣孔率的影響，結(jié)果表明，CMT Advanced Pulse工藝最適合沉積Al-6.3%Cu合金，其促進了細小等軸晶粒的形成，且顯著降低了氣孔率及成形道的熔深。

圖7 CMT工作示意圖及鋁合金CMT成形件［39］Fig.7 Schematic diagram of CMT and aluminum alloy CMT deposited parts［39］

3.3 旁路電弧增材制造

旁路分流的思想最早由美國肯塔基大學的張裕明教授提出［41-44］，其基本思路是在傳統(tǒng)電弧回路中并聯(lián)一個或兩個回路（見圖8a），將原本流入沉積層的電流部分或全部從旁路分流，形成低熱輸入的電弧等離子體，減少主路電弧對沉積層的熱、力作用，同時保證絲材熔化效率不變。蘭州理工大學Huang等［45］通過旁軸絲對傳統(tǒng)GTA電弧進行分流（見圖8b），可對絲材進行預熱以提高熔化效率，同時減少電弧能量對沉積層的熱損傷，結(jié)果表明，通過優(yōu)化工藝參數(shù)能獲得成形良好的薄壁件。西南交通大學Xiong等［46］利用一個GTA槍從傳統(tǒng)GMA電弧中分流（見圖8c），通過調(diào)控旁路電弧參數(shù)可合理分配絲材與沉積層之間的熱量，并指出旁路電流比是決定沉積層熱輸入、成形件微觀結(jié)構(gòu)和力學性能的關(guān)鍵因素。山東大學吳東亭等［47］用熔化極代替非熔化極旁路，采用額外絲材對傳統(tǒng)GMA電弧進行分流（見圖8d），通過調(diào)控額外絲材的送絲速度可改變絲材分流大小，該方法不僅能降低沉積層熱輸入，還能大幅提升絲材熔化效率。

圖8 旁路電弧增材制造Fig.8 Wire and bypass arc additive manufacturing

3.4 間接電弧增材制造

間接電弧直接建立在兩電極之間，且絲材作為其中一個電極，基板或沉積層不接電源，電弧熱主要用于熔化金屬絲材。與傳統(tǒng)電弧相比，間接電弧增材制造既能提高成形效率又能顯著減少沉積層的熱輸入，因此在增材制造領(lǐng)域具有獨特優(yōu)勢。哈爾濱工業(yè)大學王軍等人［48-50］建立了TIG-MIG間接電弧系統(tǒng)（見圖9a），確定了間接電弧能穩(wěn)定燃燒的工藝參數(shù)區(qū)間，證實了該工藝在降低沉積層熱輸入方面具有顯著優(yōu)勢，并指出電流、送絲速度的適當匹配能保證熔滴快速、穩(wěn)定、均勻地向工件過渡。為了控制熔滴的軌跡和溫度，山東大學Jia等［51-52］開發(fā)了一種新的強制拘束型增材制造技術(shù)，間接電弧建立在鎢極和絲材之間，并被限制在耐高溫的陶瓷噴嘴內(nèi)（見圖9b），強制拘束作用迫使熔滴以固定的軌跡下落，減少了成形過程的熱輸入和熱積累。葡萄牙里斯本新大學Rodrigues等［53］提出了一種基于恒壓電源的超冷電弧增材制造新工藝（見圖9c），電弧建立在鎢極和絲材之間，對該工藝所制備的高強度低合金鋼薄壁件的微觀結(jié)構(gòu)和力學特性進行表征，并與傳統(tǒng)GMA增材制造進行比較，結(jié)果表明，在保證成形件力學性能的基礎上，超冷電弧增材制造顯著降低了沉積層的峰值溫度與熱積累。

圖9 間接電弧增材制造Fig.9 Wire and indirect arc additive manufacturing

冷金屬過渡技術(shù)及脈沖電弧是減少熱輸入的有效方法，但無法實現(xiàn)沉積層熱輸入與絲材熔化效率的解耦。旁路分流的低熱輸入電弧方法在一定程度上實現(xiàn)了沉積層熱輸入與絲材熔化效率的解耦，但解耦并不徹底，大部分電弧能量仍然直接作用于沉積層，且絲材熔化效率提升有限。間接電弧可完全實現(xiàn)沉積層熱輸入與絲材熔化效率的解耦控制，但電弧在兩絲材之間燃燒，導致電弧與熔滴過渡穩(wěn)定性較差，飛濺多，且成形質(zhì)量難以控制。

4 結(jié)論與展望

（1）傳統(tǒng)電弧增材制造中，電弧能量一部分用于熔化絲材，其余能量主要用于熔化沉積層。為提高成形效率，需要增加電弧電流以促進絲材熔化，但同時也增大了沉積層的熱輸入。沉積層熱輸入與成形效率的強耦合關(guān)系成為制約電弧增材制造技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展和質(zhì)量提升的瓶頸。

（2）熱絲或多絲方式可顯著提高電弧增材制造的成形效率，但額外電弧熱源的引入會增加沉積層的熱輸入與熱損傷。施加主動冷卻可有效控制成形過程熱積累，間接提高了電弧增材制造的成形效率，但增加了制造成本與系統(tǒng)復雜度，尚未從本質(zhì)上攻克難題。改變電弧熱源形式可從根源上控制沉積層的熱輸入。

（3）現(xiàn)有文獻在沉積層熱輸入與成形效率控制方面開展了深入研究，但大多追求單一目標，即僅僅考慮降低沉積層的熱輸入或提高絲材熔化效率，如何實現(xiàn)沉積層熱輸入與絲材熔化效率的解耦控制，保障低熱輸入高效成形，是亟需攻克的難題。

（4）改變電弧熱源形式是實現(xiàn)電弧增材制造沉積層熱輸入與絲材熔化效率解耦的有效方法。未來可考慮從源頭出發(fā)，開發(fā)創(chuàng)新的電弧熱源，實現(xiàn)成形過程熱、質(zhì)、力的解耦控制，并提高電弧穩(wěn)定性、熔滴過渡的可控性、成形過程的穩(wěn)定性。同時開發(fā)集多種工藝于一體的電弧增材制造系統(tǒng)，充分發(fā)揮各種技術(shù)的優(yōu)點，從而推進電弧增材制造技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展和質(zhì)量提升。