电弧增材制造研究现状及在航空制造中应用前景

80航空制造技术·2015年第23/24期FORUMOFTHEYEAR电弧增材制造研究现状及在航空制造中应用前景西北工业大学凝固技术国家重点实验室　 熊江涛　 耿海滨　 林　鑫西北工业大学摩擦焊接陕西省重点实验室　 黄　丹　 李京龙　 张赋升电弧增材制造采用逐层堆焊的方式制造致密金属实体构件，因以电弧为载能束，热输入高，成形速度快，适用于大尺寸复杂构件低成本、高效快速近净成形。面对新一代飞行器制造成本及可靠性要求，其结构件逐渐向大型化、整体化、智能化发展，电弧增材制造技术在大尺寸航空结构件成形上具有其他增材技术不可比拟的效率与成本优势。本文综述了电弧增材制造技术研究现状，并结合该技术特征及国内增材制造技术研究规划，评述了我国在该技术领域的发展际遇与挑战，指出其在航空制造领域的发展前景及意义。DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2015.23/24.080ResearchStatusofWireandArcAdditiveManufactureandItsApplicationinAeronauticalManufacturing增材制造（AdditiveManufacturing,AM）技术是基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动，采用材料逐层累加的方法制造实体零件的快速成形技术。该成形方法最大优势是无需传统的刀具即可成形、降低工序、缩短产品制造周期，尤其适于低成本小批量产品制造，而且越是结构复杂、原材料附加值高的产品，其快速高效成形的优势越显著，在航空航天、生物医学、能源化工、微纳制造等领域具有广阔应用前景[1]。面对新型飞行器低成本、高可靠性的要求，其零部件逐渐向大型化、整体化发展[2]。增材制造技术无需模具，可直接低成本一体化制造复杂构件，并有望基于增材制造技术在构型能力上的优势，进一步优化现飞行器零部件结构，提高结构效率，实现结构轻量化、高性能化。由于简化或省略了传统制造中的工艺准备、模具设计等环节，产品数字化设计、制造、分析高度一体化，能够显著缩短研发周期和研发成本。金属增材制造技术按热源类型可分为3类：激光、电子束和电弧。过去20年主要研究以激光、电子束为热源的粉基金属增材制造技术，通过不断熔化或烧结金属粉来连续逐层制备复杂结构零部件，现已应用于航空航天、国防军工、能源动力等高精尖技术领域部分关键零部件，但由熊江涛西北工业大学材料学院副教授，博士，主要研究方向为电弧增材制造技术、固相连接理论及技术、固-固界面演变热力学等，相关研究成果发表于ActaMaterialia，ScriptaMaterialia，MaterialsScienceandEngineeringA等国际著名期刊，国际著名期刊JournalofAlloysandCompound审稿人。2015年第23/24期·航空制造技术81AviationWeldingTechnology航空焊接技术于其原材料、热源特点，金属粉基激光、电子束增材制造技术在成形某些特定结构或特定成分构件时受到一定限制而无法实现或即使可以成形，其原材料、时间成本很高，具有诸多不足之处：（1）对于激光热源，其成形速率慢、铝合金对激光的吸收率低等；（2）对于电子束热源，真空炉体尺寸对构件体积的限制；（3）粉基金属原材料制备成本较高、易受污染、利用率低等均增加了原料成本。基于上述原因，现有的技术成形大尺寸复杂结构件时表现出一定的局限性，为了应对大型化、整体化航天结构件的增材制造需求，基于堆焊技术发展起来的低成本、高效率电弧增材制造技术受到部分学者关注。电弧增材制造技术（WireandArcAdditiveManufacture,WAAM）以电弧为载能束，采用逐层堆焊的方式制造金属实体构件，该技术主要基于TIG、MIG、SAW等焊接技术发展而来，成形零件由全焊缝构成，化学成分均匀、致密度高[3]，开放的成形环境对成形件尺寸无限制，成形速率可达几kg/h，但电弧增材制造的零件表面波动较大，成形件表面质量较低，一般需要二次表面机加工，相比激光、电子束增材制造，电弧增材制造技术的主要应用目标是大尺寸复杂构件的低成本、高效快速近净成形。本文主要介绍电弧增材制造技术现状，分析现阶段该技术研究的不足之处，探讨其可能的发展方向，阐述该技术在大型化、整体化高端航空零部件制造中的应用。WAAM技术现状1WAAM装备系统1.1基本硬件构成及特征电弧增材制造是数字化连续堆焊成形过程，其基本成形硬件系统应包括成形热源、送丝系统及运动执行机构。电弧增材制造三维实体零件依赖于逐点控制的熔池在线、面、体的重复再现，若从载能束的特征考虑，其电弧越稳定越有利于成形过程控制，即成形形貌的连续一致性。因此，电弧稳定、无飞溅的非熔化极气体保护焊（TIG）和基于熔化极惰性/活性气体保护焊（MIG/MAG）开发出冷金属过渡（ColdMetalTransfer,CMT）技术成为目前主要使用的热源提供方式。作为由点向三维方向扩展的运动执行机构，其位移与速度、位置的重复定位精度、运动稳定性等对成形件尺寸精度的影响至关重要，目前使用较多的是数控机床和机器人。数控机床多作为形状简单、尺寸较大的大型构件成形，机器人具有更多的运动自由度，与数控变位机配合，在成形复杂结构及形状上更具优势，但基于TIG的侧向填丝电弧增材制造因丝与弧非同轴，如果不能保证送丝与运动方向的相位关系，高自由度的机器人可能并不适合，所以机器人多与MIG/MAG、CMT、TOP-TIG等丝弧同轴的焊接电源配合搭建电弧增材成形平台。在国内外电弧增材相关研究机构的报道中，所采用的成形系统如表1所示。相比TIG、MIG/MAG、PAW等，CMT具有低热输入、无飞溅等特点。此外，其送丝运动与熔滴过渡过程可进行数字化协调，在物质输入方面具有更高的可操控性，可能会成为将来电弧增材制造的主要热源方式。总体而言，电弧增材制造载能束具有热流密度低、加热半径大、热源强度高等特征，成形过程中往复移动的瞬时点热源与成形环境强烈相互作用，其热边界条件具有非线性时变特征，故成形过程稳定性控制是获得连续一致成形形貌的难点，尤其对大尺寸构件而言，热积累引起的环境变量变化更显著，达到定态熔池需要更长的过渡时间。针对热积累导致的环境变化，如何实现过程稳定性控制以保证成形尺寸精度是现阶段电弧增材制造的研究热点。基于视觉传感系统的焊接质量在线监测与控制技术首先被移植应用于该领域，并取得了一定成果。1.2成形过程稳定性硬件系统电弧增材成形采用逐层累加的方式构建三维实体零件，保证形状、尺寸精度，需要单层成形尺寸与三维数字化模型建立的分层切片数据一致，但在实际成形过程中，热积累作用导致熔池体系热边界环境非线性时变，故实现自动化电弧增材制造系统除了以上的基本成形硬件条件外，还需要能够对每一沉积层的表面形貌、质量及尺寸精度进行在线监测和控制。WAAM增材制造是以高温液态金属熔滴过渡的方法通过逐层累积的方式成形的，成形过程中随着堆焊层数的增加，成形件热积累严重、散热条件变差，以至于熔池凝固时间增加，熔池形状难于控制，尤其是在零件边缘，由于液态熔池的存在，边缘表1国内外WAAM研究机构的基本硬件构成研究机构成形系统基本构成CranfieldUniversity[4]、SouthernMethodistUniversity[5-7]、UniversityofCatania（卡塔尼亚大学）[8]、UniversityWest（瑞典西部大学）[9-11]、哈尔滨工业大学、西北工业大学、天津大学、南昌大学TIG+数控机床/工作台CranfieldUniversity、CatholicUniversityofLouvain[12-16]、UniversityofSheffield、哈尔滨工业大学、南昌大学TIG+机器人CranfieldUniversity、UniversityofKentucky[17]CMT（MIG）+数控机床CranfieldUniversity[18]、UniversityofNottingham、UniversityofWollongong、UniversidadedoMinho、Rolls-RoycePLC[19]、华中科技大学[20]CMT（MIG/MAG）+机器人CranfieldUniversity[21]、西安交通大学PAW+数控机床(工作台)82航空制造技术·2015年第23/24期FORUMOFTHEYEAR形貌与成形尺寸的控制更加困难，即热积累作用导致熔池体系热边界环境非线性时变，故实现自动化电弧增材制造系统除了以上的基本成形硬件条件外，还需要能够对每一沉积层的表面形貌、质量及尺寸精度进行在线监测和控制。在焊枪处安装红外温度传感器的被动反馈式层间温度控制方式，强烈依赖于人为目标参数的设置[21]，而直接以熔覆层的形貌尺寸特征作为信号源，通过实时在线监测尺寸信息，实现反馈调节可能更可取。如图1所示，美国Tufts大学Kwak等[22-24]建立了利用MIG焊枪进行堆焊成形，等离子枪在线热处理，通过两套结构光传感器对熔覆层形貌特征进行监测，以及一套红外摄像机用于成形件表面温度在线监测的双输入输出闭环控制系统，以焊速和送丝速度作为控制变量，熔覆堆高和层宽作为被控变量，实现对成形过程中成形尺寸的实时闭环控制。国内张广军等设计了一套用于焊道特征尺寸控制的双被动视觉传感系统，如图2所示，可同时获得熔敷层宽度和焊枪到熔敷层表面的高度图像，实现了熔敷层有效宽度、堆高等参数的在线准确检测，并以熔敷层有效宽度为被控变量，焊速为控制变量，设计了单神经元自学习PSD控制器，通过模拟仿真和干扰试验验证了控制器性能[25]。参数自学习PSD控制器在熔敷层定高度、变高度控制中均可获得良好的控制效果，同时通过对熔敷层表面到焊枪喷嘴的距离进行监测和自适应控制，满足了WAAM成形稳定性的要求。WAAM载能束热输入高、热源半径大、金属熔体短程流动等特征决定了成形尺寸对工艺参数具有较弱的响应灵敏度，而且温度越高越显著，与焊接过程焊缝质量的在线监测目的不同，WAAM过程的监测与反馈控制目的在于控形，而其宽泛的工艺规范带使得这一反馈控制可能无法取得立竿见影的效果，故在提高成形精度上不能行之有效。WAAM的应用是“近净成形”、“原型制造”，其追求的是低成本、高效率而非高精度，所以对成形精度要求并不苛刻（需要2次机加工）。此外，该系统需在焊枪周围辅助复杂的光路系统，光路干涉严重约束了焊枪的可达性，而从该技术自身特征出发，通过揭示成形机理，优化工艺，可能更适于简单、高效、低成本的电弧增材制造。2成形过程稳定性的工艺控制不同于激光及电子束，电弧增材制造的熔池体积较大，而且成形过程中因冷态原材料、电弧力等扰动因素的存在，使得熔池成为一个不稳定的体系，但WAAM能够成为增材制造的先决条件是成形过程必须使得熔池体系具备稳定的重复再现能力。在初期试验规律性研究阶段，主要基于电弧焊接技术，针对不同材料体系匹配不同的焊接方法及成形系统，甄选出关键影响因子，采用试验方法研究单层单道焊缝形状与最终成形零件表面质量的关系，建立起成形质量与焊接关键工艺参数的关系，如焊速（TS）、焊丝直径（WD）、送丝速度（WFS）、导电嘴端面与工件距离（CTWD）、层间温度、电流、电压等。在基于TIG的堆焊成形过程中，熔滴向熔池过渡的稳定性对于成形质量至关重要，电弧挺度弱于激光、电子束等高能束，已堆焊沉积层形貌质量对下道次的堆焊表面影响较大，上一道次形貌特征在WAAM成形技术中表现出特定时、空非连续“遗传”特性，尤其是首道次成形，因轴向运动机构温度控制基底红外相机等离子焊枪二级管径向运动机构GMAW焊枪送丝机构形貌控制零件条纹转台光学摄像图1基于MIG的WAAM成形与监测控制系统（美国塔夫茨大学）[22]计算机D/A图像采集卡宽度传感器宽度传感器基底基底沉积件上表面高度传感器工作台（a）基于MIG的WAAM成形系统示意图（b）双被动视觉传感系统示意图90°90°30°30°XXOYYZZGMAW焊机GMAW焊机脉冲发生器步进电机高度传感器滤光片滤