国内电弧增材制造技术的研究现状与展望

国内电弧增材制造技术的研究现状与展望

摘要：本文简述了电弧（电熔）增材制造技术特点、优势和发展历史，详细分

析了国内在电弧增材制造工艺、质量控制、电弧增材制造材料性能三方面的研究

情况，并基于目前的研究现状，提出了电弧增材制造技术在制造工艺、质量控制

和材料性能三方面研究的建议。

关键词：电弧增材制造，研究现状，展望

1引言

增材制造，是一种新型的金属“降维”制造工艺，通过对三维数字模型进行分

层切片处理，再按照预先规划好的路径将材料逐层累加的制造方式，是一种自下

而上，化零为整的制造方法，在复杂结构零部件制造方面有很大优势。电弧增材

制造(Arc welding additive manufacturing，简称WAAM)技术，也称为电熔增材制造

技术（Electrical additive manufacturing，简称EAM ）是采用电弧为热源的增材制

造技术，通过熔化金属丝材或粉末，逐层堆积出金属零部件的制造方法，具有丝

材利用率高、生产效率高，成本底，零件的尺寸不受成形缸或真空室的限制，易

于修复零件等优点。和传统的铸造、锻造技术相比，制造过程无需模具，整体制

造流程短，制造周期短，柔性化程度高，易于实现数字化、智能化，对设计的响

应快，可实现零部件的拓扑优化设计，在小批量、复杂构件的个性化定制方面具

有很大技术和成本优势。

20世纪70年代，德国学者提出了电弧增材制造的概念，并采用该技术制造

了一金属容器。20世纪80年代，美国使用等离子弧焊、熔化极气体保护焊技术

制造出了镍基合金金属构件，20世纪90年代，随着增材制造技术的发展，电弧

增材制造技术也得到了空前的发展，在装备、工艺及材料性能研究方面均取得了

很大突破。

2电弧增材制造技术研究现状

目前国内外用于WAAM制造的电弧种类主要为熔化极气体保护焊（GMAW），钨极惰性气体保护焊（GTAW）、等离子弧焊（PAW）等，尤其是配以冷金属过

度的熔化极气体保护焊，因其热输入小，电弧稳定性好等特点，得到了广泛发展

和应用。今年来，国内各大高校针对电弧增材制造的研究也在不断深入，主要集

中在成形控制、过程监控和成形件性能研究等方面。

2.1工艺与成形研究

电弧增材制造在制造过程中液态熔池较大，电弧的可控性难，故成形控制是

电弧增材制造的发展的主要瓶颈之一。电弧增材制造的在成形设备方面，主要有

两种方式，一种是焊接设备与多功能数控机床复合，另一种是焊接设备与多轴机

械手复合，实现柔性制造。成形控制方面的研究主要集中在工艺优化、过程监控

以及实时反馈等方面，在工艺优化环节主要是通过实验，针对不同的增材方法，

研究合适的工艺参数，例如打印速度，丝径，送丝速度，电流，电压等。沈泳华[[[]沈泳华.电弧增材制造成形系统设计和成形规律研究[D].南京：南京航空航天大学，2017]]研究了以KUKA焊接机器人和Fronius数字化焊机为主要设备的GMAW

冷金属过渡电弧增材制造系统和成形规律，采用“反切削法”实现了电弧增材制造

成形路径规划系统，并研究了不同工艺条件下的表面成形质量。熊俊[[[] 熊俊.多

层单道GMA增材制造成形特性及熔敷尺寸控制[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014]]研究了单道熔化极气体保护增材制造的工艺特性和成形质量，表明熔敷电

流是决定成形形貌的决定因素，良好的成形电流区间为100~180A。柳建等人[[[]

柳建，朱胜，殷凤良，等．工艺参数对堆焊熔敷成形极限倾角的影响规律[J]．沈

阳工业大学学报，2012，34(5)：515—5 19．]]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

是由熔滴的表面张力、悬空部分自重力和电弧力平衡的结果。电流大小决定表面

成形情况成形，极限倾角为450。

2.2质量检测方面的研究

建立可靠的内部缺陷无损检测方法是增材制造技术实现工程应用基础，鉴

于增材制造技术的特点，成形和成性在同一时空完成，且其内部质量们无法在后

续工序检测，只能通过破坏性检测或在使用过程中发现，故增材制造的过程监控

和过程质量检测尤为重要。基于增材的技术特点，其内部缺陷应采取主动控制。

无损检测技术一般分为在线检测(过程中检测)和事后检测两种。良好的在线检测

是实现内部缺陷的主动控制前提。在线检测可以及时发现缺陷，采取及时的补救

措施，形成闭环控制。与事后检测相比，可以降低补救难度，节省时间。在线检

测目前有两种方法，其一是在线监测，通过监测制造过程特征参数来评价过程的

稳定性，进而间接判断增材制造件的内部质量，常见的方法有熔池尺寸监测、熔

池温度监控等，其二是在线无损监测，直接将无损监测技术如超声波技术、视觉

监测、温度场监测技术运用到在线过程，直接检测是否存在缺陷。刘磊[[[] 刘磊.

电弧熔积增材过程中在线检测的研究与实现[D].武汉：华中科技大学，2016.]]以分散检测为出发点的永磁扰动检测方法，该方法可以成功检测出宽度0.3mm的开放性缺陷，直径0.8mm的内部气孔以及埋藏深度3mm，直径1mm的内部缺陷。袁久鑫等人[[[] 袁久鑫，秦训鹏，张进鹏，等.基于激光超声的电弧增材制造内部缺

陷深度检测[J].中国机械工程，2020]]了通过仿真与实验的方法，研究了激光超声

的内部缺陷深度检测，研究表明该方法可以检测出最大深度10mm处1mm的圆

形缺陷，随着缺陷尺寸的减小，检测深度降低。目前的电弧增材制造内部质量检

测主要集中在制造过程中的研究，以在线特征参数监测和在线无损检测为主，对

于缺陷容限、评价标准等方面的研究鲜有报道。

2.3材料性能方面的研究

增材制造是将传统制造方式的材料制备和部件制造工序结合在了增材一个

工序中，以小熔池，微冶金，快速凝固，实现材料制备和部件制造，过程中小熔

池的结晶冷却速度极快，其结晶条件和传统钢锭的结晶条件存在很大差异，且材

料经历了多次不平衡热循环，最终交货状态一般为消应力状态，故在性能方面和

传统的铸、锻也存在较大差异。笔者研究了电熔增材制造EAM08CrMo的性能，

表明电弧增材制造EAM08CrMo具有良好的机械性能，尤其是冲击韧性，机械性

能在宏观上没有厚度效应和方向性[[[]严连菊. 电熔增材制造EAM08CrMo 钢性能研究[J].电焊机.2019,49(4):111-215]]。张亚斌等研究了热处理参数对增材制造反应堆

压力容器用钢16MND5材料性能的研究，表明电熔增材制造过程中材料残余应力

对材料性能有较大影响，消应力处理可以较好的消除内部残余应力，改善材料性

能[[[] 张亚斌，严连菊，罗英，等.热处理参数对电熔增材材料EAM16MND5组织

和性能的研究[J].电焊机.2019,49(4):212-215]]。王小彬等研究了EAM16MND5微观

组织和性能的，表明EAM16MND5满足核电规范RCC-M的标准要求，奥氏体晶粒度可达9.5级[[[]王小彬，张亚斌，谢常胜，等. 电熔增材制造反应堆压力容器用

16MND5 钢的组织与力学性能[J].金属热处理，2019，44（4）：141-145]]。周高

斌等研究了EAM16MND5的热老化性能，表明EAM16MND5经过450℃，3000H

时效处理后，组织稳定，强度略有提升，裂纹扩张能量降低[[[] 周高斌，谢常胜，