电弧增材制造成形控制技术的研究现状与展望

摘要：电弧增材制造是低成本金属零件直接成形的重要研究方向之一。

金属零件形貌的成形精度是评判成形质量的一个重要指标。

从成形工艺特性、尺寸数学建模、过程控制等角度阐述了电弧增材制造成形控制技术的国内外研究现状；重点总结了基于视觉传感的电弧增材制造闭环控制技术的研究现状；分析了电弧增材制造成形控制技术研究存在的关键问题；提出了未来电弧增材制造成形控制技术的研究内容和发展方向。

关键词：电弧增材制造；成形控制；成形工艺；闭环控制中图分类号：TG444文献标志码：A 文章编号：1001－2303（2015）09－0045-06DOI ：10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.10第45卷第9期2015年9月Vol．45No．9Sept.2015Electric Welding Machine熊俊1，薛永刚2，陈辉1，张卫华1（1.西南交通大学，四川成都610031；2.南车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛，266111）Status and development prospects of forming control technology in arc-based additivemanufacturingXIONG Jun 1，XUE Yonggang 2，CHEN Hui 1，ZHAN G Weihua 1（１．ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００３１，Ｃｈｉｎａ；２．ＣＳＲＱｉｎｇｄａｏＳｉｆａｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｑｉｎｇｄａｏ２６６１１１，Ｃｈｉｎａ）Abstract ：Arc -based additive manufacturing technology is one of the most significant research directions in low cost metal partsdirect fabrication.Forming accuracy of the metal parts appearance is an important index for evaluating the forming quality.Domestic and overseas research status of formation control in arc -based additive manufacturing are elaborated from the aspects of forming technology characteristics ，geometry modeling and process control.Research status of closed-loop control technology based on vision-sensing in arc-based additive manufacturing is emphatically summarized.The Key problems of forming control in arc-based additive manufacturing are analyzed ，and future research contents as well as directions of this technology are also proposed.Key words ：arc-based additive manufacturing ；forming control ；forming technology ；closed-loop control 收稿日期：2015-04-07；修回日期：2015-04-22基金项目：四川省科技支撑计划项目（２０１５ＧＺ０３０５）作者简介：熊俊（１９８６—），男，副研究员，博士，主要从事电弧增材制造及焊接过程传感与控制方面的研究工作。

0前言近年来，在资源节约及高效制造的背景下，基于“加法”加工模式的增材制造技术在复杂形状薄壁件的制造上呈现出广阔的应用前景[1]。

当前，金属零件增材制造技术从基础研究到应用开发都引起了世界各国学者的极大兴趣和广泛关注[2-4]。

与此同时，我国也制定了增材制造技术发展推进计划，将其列入国家重大专项并重点支持，同时开展高密度的展会和研讨会。

随着航空航天、国防军工、轨道交通等关键技术领域对致密金属零件的性能、精度、制造成本和周期的要求日趋苛刻，亟需开展相关研究以突破并掌握金属零件直接成形技术。

在增材制造领域，以电弧作为热源的金属零件增材制造技术具有设备简单、材料利用率高、生产效率高等优点[5]。

电弧增材制造技术采用电弧作为热源将金属丝材熔化，按设定成形路径在基板上堆积层片，层层堆敷直至金属零件成形。

成形零件由全焊缝金属组成，致密度高、冶金结合性能好、化学成分均匀、力学性能好。

因此，电弧增材技术是低成本金属零件直接制造的重要研究方向。

但是，电弧增材制造过程是以高温液态金属熔滴过渡的方式进行的。

随堆积层数的增加，堆积零件热积累严重、散热条件差、熔池过热、难于凝固、堆积层形状难于控制。

特别在零件边缘堆积时，由于液态熔池的存在，使得零件的边缘形态与成形尺寸的控制变得更加困难。

这些问题都直接影响零件的冶金结合强度、堆积尺寸精度和表面质量。

由此可见，成形形貌的控制是金属零件增材制造技术的主要瓶颈。

本研究从成形工艺特性、尺寸数学建模、过程闭环控制等角度阐述了电弧增材制造成形控制技术的国内外研究现状。

分析电弧增材制造成形控制技术研究中存在的主要问题。

对未来电弧增材制造成形控制技术的发展方向提出了建议。

1成形控制研究现状1.1成形工艺电弧丝材直接成形金属件的思想可追溯到1983年，德国Kussmaul 等人[6]采用埋弧焊方法堆积了大型圆柱厚壁容器，具有良好的抗拉强度、屈服强度和韧性，然而该方法只适合大型零部件的制造，而且成形精度极低。

电弧增材制造发展的一个重要阶段是在1998年，英国诺丁汉大学Spencer 等人[7]提出GMAW 三维焊接成形方法，采用焊接机器人成形金属零件，成形件如图1所示。

通过红外测温装置对成形热输入进行控制，降低成形件表面粗糙度。

若温度过高，则停止堆积，待降至一定温度再继续堆积。

值得注意的是，该方法虽然提高了成形精度，却大大降低了成形效率。

Ribeiro 等人[8]设计了一套机器人GMAW 快速成形制造系统，该系统制造的成形件如图2所示。

图1机器人GMAW 三维焊接成形试件[7]美国肯塔基大学Zhang [9]等人研究了GMAW 增材制造技术，系统分析熔滴过渡形式对零件成形尺寸和热输入的影响，提出成形过程起、熄弧端及熔滴过渡方式控制策略，以期获得优良的成形效果，但由于堆积工艺参数选择不当，堆积的典型零件成形精度较低，如图3所示。

图3基于GMAW 的增材制造零件[9]美国南卫理公会大学先进制造研究中心Kovacevic 教授领导的研究团队开发了基于焊接工艺（GTAW 、GMAW 、PAW ）的金属零件直接成形技术。

Ouyang 等人[10]采用变极性GTAW 工艺堆积了5356铝合金零件，如图4所示。

研究认为，成形的关键点在于基板的预热、焊接弧长的监控及焊接热输入的精确控制，在此采取的控制措施是在前40层堆积时，每堆积一层，电流减小1A 。

同时，分析了堆积工艺参数与熔敷层几何尺寸的关系。

图4变极性GTAW 增材制造的零件[10]近年来，也有研究学者[11-13]提出了将GMAW 成形与铣削技术相结合，堆积一层后，将工件表面铣图2机器人GMAW 增材制造系统成形件[8]重点关注第45卷削固定深度，从而实现成形质量高精度控制。

但是铣削加工仅是保证金属零件成形精度的辅助手段。

考虑到成形过程的稳定性，单纯将铣削加工集成到GMAW 增材制造系统还远远不够，其控制过程比较被动，且以牺牲成形效率为代价来提高成形质量，得不偿失。

在倾斜件成形研究方面，装甲兵工程学院柳建等人[14]采用逐层横向偏移焊枪的方式成形倾斜面，揭示了工艺参数对堆焊成形极限倾斜角的影响规律，结果表明极限倾角主要由电流决定并与成形焊缝形状有关，极限倾角为50°。

当前，最具有代表性的研究机构是英国克兰菲尔德大学焊接与激光研究中心，Kazanas 等人[15]采用机器人CMT 方法制造倾斜结构薄壁件，创造性地提出焊枪倾斜方式，实现了任意倾角零件的成形，重点探究了送丝速度与堆积速度对成形倾角的影响，成形零件如图5所示。

图5基于CMT 成形的倾斜结构零件[15]综上可知，以电弧为热源的增材制造技术存在成形精度低的缺点。

尤其是成形金属件的倾斜面成形能力低。

因此，如何提高成形质量以及增强倾斜面成形能力成为电弧增材制造技术亟需解决的主要瓶颈。

2.2成形数学建模零件成形结构可分为多层单道和多层多道结构。

目前，对于多层单道的研究主要集中在成形尺寸的预测上。

而多层多道结构的研究则体现在相邻熔敷焊道的搭接间距上，通过单层单道形貌建模，确定搭接间距，从而优化表面平整度。

英国克兰菲尔德大学Martina 等人[16]建立了一套等离子弧填丝增材制造系统，以堆积电流、送丝速度、堆积速度作为输入变量，多层单道整体层宽、有效层宽、层高为输出变量，采用传统二次回归方程获得了输入与输出变量之间的关系模型。

研究认为，由于基板的热作用，多层单道前四层成形尺寸并不稳定。

南昌大学徐健宁在TIG 增材制造成形工艺中，采用回归方程建立了堆积速度、堆积电流、送丝速度和堆积层层宽和层高的回归模型[17]。

文献[18-19]建立了一套GMAW 增材制造系统，采用神经网络和二次回归方程等建模方法获得了送丝速度、堆积速度、电弧电压与堆积层宽和堆积层高的模型。

开发了一种基于神经网络的闭环控制算法，实现由给定的熔敷层尺寸预测堆积工艺参数的功能。

在多层多道结构成形建模方面，需要研究的关键问题是单层单道截面形貌及相邻熔敷焊道的搭接间距。

许多研究者[7，20-21]认为单层单道截面形貌呈圆弧状或抛物线状，但并未经过实验验证。

文献[22]采用高斯函数、正玄函数和抛物线拟合了单层单道截面边界线，将拟合曲线计算的面积与单层单道截面面积进行比较，结果表明正玄函数拟合精度最高。

但在该研究中，仅仅考虑了一种堆积工艺参数的组合。

文献[23]分别采用圆弧、抛物线和余玄函数拟合了单层单道截面形貌，研究了不同堆积速度和送丝速度匹配下的截面面积与各拟合函数计算面积的差值。

结果表明，截面形貌与送丝速度和堆积速度的比值有关，当上述比值大于12.5时，宜采用圆弧拟合单层单道截面，反之，应该使用抛物线拟合。

在确定单层单道截面形貌模型函数的基础上，计算了多层多道理想搭接间距。