通過(guò)焊接工藝制造近凈形狀部件的概念，自出現(xiàn)到現(xiàn)在已有近百年歷史，電弧增材制造技術(shù)發(fā)展歷程如圖2所示。WAAM技術(shù)沉積速率高、設(shè)備成本低、材料利用率高，由此產(chǎn)生的環(huán)境友好型來(lái)制造大型金屬結(jié)構(gòu)件而逐漸受到工業(yè)制造部門(mén)的關(guān)注。特別是過(guò)去十年，該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展取得了持續(xù)性進(jìn)展，引起了世界各地研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注。

WAAM技術(shù)發(fā)展歷程

1.1 WAAM技術(shù)分類(lèi)

WAAM技術(shù)是以絲材為原料，通過(guò)電弧將絲材逐層熔化堆積形成致密金屬零部件的過(guò)程。增材制造ASTM F3187-16標(biāo)準(zhǔn)將WAAM技術(shù)歸類(lèi)于DED技術(shù)的一種。早在1920年Baker就申請(qǐng)了一項(xiàng)關(guān)于利用可熔化電極并操縱螺旋路徑成形金屬結(jié)構(gòu)的專(zhuān)利，隨后Shockey等人提交的另一項(xiàng)專(zhuān)利描述了用于厚壁構(gòu)件的焊接工藝，進(jìn)行了多道結(jié)構(gòu)的成形研究。后來(lái)，Ujiie采用逐層沉積金屬方式制造圓形橫截面的壓力容器，并針對(duì)成形件內(nèi)外層的加工工藝進(jìn)行了探討。1983年，Kussmaul等人通過(guò)埋弧焊串聯(lián)焊接制造大型結(jié)構(gòu)件，其沉積速率可達(dá)20kg/h。自此以后，隨著計(jì)算機(jī)和熱源技術(shù)的不斷發(fā)展及增材制造技術(shù)的持續(xù)推進(jìn)，WAAM技術(shù)得到了諸多學(xué)者更加深入的研究和開(kāi)發(fā)。Dickens等人利用在線點(diǎn)對(duì)點(diǎn)編程的機(jī)器人熔化極氣體保護(hù)焊工藝，通過(guò)逐層沉積方式制造了無(wú)支撐的碳鋼薄壁結(jié)構(gòu)。Ribeiro利用開(kāi)發(fā)的離線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)允許對(duì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型進(jìn)行切片，實(shí)現(xiàn)了按規(guī)定格式逐層沉積預(yù)期結(jié)構(gòu)。如圖3所示，包括美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、荷蘭、日本、韓國(guó)、印度、澳大利亞、中國(guó)等國(guó)家的多個(gè)科研單位圍繞WAAM技術(shù)在設(shè)備可操作性、材料處理、路徑規(guī)劃等方面開(kāi)展了大量的系列化研究，使得WAAM技術(shù)得到快速發(fā)展。

WAAM技術(shù)世界研究團(tuán)隊(duì)分布

根據(jù)WAAM工藝熱源特性的不同，分為熔化極氣體保護(hù)焊（Gas Metal Arc Welding，GMAW），鎢極氣體保護(hù)焊（Gas Tungsten Arc Welding，GTAW）和等離子氣體保護(hù)焊（PlasmaArcWelding，PAW）三種。不同的WAAM技術(shù)有其自身獨(dú)特的特點(diǎn)，表2對(duì)三種WAAM技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比總結(jié)。GMAW技術(shù)以絲材作為熔化極，成形過(guò)程不存在方向性問(wèn)題，效率高，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和復(fù)雜零部件的制造，其效率是GTAW和PAW方法的2~3倍；但GMAW在成形過(guò)程中電弧會(huì)直接作用于焊絲而產(chǎn)生更多的煙塵和飛濺。PAW擁有最大的能量密度，可以實(shí)現(xiàn)高熔點(diǎn)難熔金屬的大速度成形并減少變形。

WAAM制造系統(tǒng)一般由電弧熱源、自動(dòng)送絲系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制的機(jī)器人/數(shù)控平臺(tái)和其他附屬機(jī)構(gòu)四部分組成。利用WAAM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)構(gòu)件制造和其他增材制造方式基本相同，包括三個(gè)步驟：路徑規(guī)劃、沉積和后處理。對(duì)于給定的CAD模型，通過(guò)三維切片和編程軟件為沉積過(guò)程生成預(yù)定的機(jī)器人/機(jī)床運(yùn)動(dòng)和焊接參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)構(gòu)件高幾何精度的無(wú)缺陷制造?；诎唧w材料信息的沉積模型，采用三維切片和編程軟件，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)路徑規(guī)劃和工藝優(yōu)化以避免潛在的工藝缺陷。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為焊槍提供精確的運(yùn)動(dòng)，以逐層方式成形預(yù)期構(gòu)件，如何通過(guò)各種傳感器來(lái)測(cè)量焊接信號(hào)、沉積焊道幾何形狀、熔滴過(guò)渡和層間溫度，實(shí)現(xiàn)成形過(guò)程的在線監(jiān)測(cè)和性能調(diào)控，是當(dāng)前和未來(lái)的研究熱點(diǎn)。

1.2 冷金屬過(guò)渡（CMT）技術(shù)

傳統(tǒng)GMAW在短路過(guò)渡過(guò)程中焊絲一直往前進(jìn)送，熔化成熔滴，熔滴與熔池接觸瞬間發(fā)生短路，短路橋抱斷，然后重新引弧，在短路的同時(shí)會(huì)伴有較大電流和飛濺。為了避免成形過(guò)程中大的熱輸入，奧地利Fronius公司在研究鋼和鋁異種材料連接的基礎(chǔ)上，于1997年開(kāi)發(fā)了無(wú)飛濺引弧技術(shù)，又經(jīng)過(guò)數(shù)年的努力，發(fā)明了冷金屬過(guò)渡技術(shù)（Coldmetaltransfer，CMT），開(kāi)發(fā)了全新的GMAW焊接熔滴過(guò)渡形式，隨后該公司進(jìn)行CMT焊接系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，最后成功將該技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)。

CMT是GMAW的一種創(chuàng)新與變型，與傳統(tǒng)GMAW相比，能以顯著的低熱量輸入生產(chǎn)出質(zhì)量好、無(wú)飛濺的焊接結(jié)構(gòu)，因而受到工業(yè)界的廣泛關(guān)注和認(rèn)可。CMT工藝原理如圖4所示。CMT工藝首次將熔滴過(guò)渡過(guò)程同送絲運(yùn)動(dòng)相結(jié)合，區(qū)別于傳統(tǒng)的GMAW被動(dòng)熔滴過(guò)渡方式，當(dāng)焊機(jī)的處理器檢測(cè)到一個(gè)熔滴短路信號(hào)就會(huì)反饋給送絲機(jī)構(gòu)，在熔滴短路的同時(shí)，增加了焊絲回抽動(dòng)作，在焊槍處增加了能夠回抽焊絲的拉絲機(jī)構(gòu)，通過(guò)焊絲回抽以幫助熔滴過(guò)渡，所以熔滴在短路過(guò)渡階段電壓和電流幾乎為零，此時(shí)沒(méi)有新的熱量輸入到熔池中，熔滴過(guò)渡在一冷一熱不斷交替中完成，變換頻率達(dá)到70Hz。

CMT液滴過(guò)渡過(guò)程原理

冷金屬過(guò)渡操作的創(chuàng)新性在于短路時(shí)對(duì)熔絲的機(jī)械回抽和電流控制，避免了不必要的功率和溫升，而且精確地控制了金屬填充物的過(guò)渡量，從而大大提高了金屬冶金性能。由于出現(xiàn)翹曲和燒穿的可能性較低，Pickin等人已將CMT技術(shù)成功地用于鋁板的焊接和鋁合金和鎳基高溫合金的熔覆。Elrefaey指出，與傳統(tǒng)的GMAW和GTAW相比，CMT焊接的7系鋁合金具有更好的機(jī)械特性。Gungor發(fā)現(xiàn)使用CMT焊接5系和6系鋁合金的屈服強(qiáng)度值高于其他任何焊接方法。克蘭菲爾德大學(xué)的Stewart教授團(tuán)隊(duì)已將CMT工藝用于Ti-6Al-4V、銅合金和鋁合金的增材制造。

1.3 WAAM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與局限性

WAAM技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)就是無(wú)需復(fù)雜的氣氛保護(hù)，以電弧為熱源將金屬絲材加熱熔化，連續(xù)堆積成形，沉積層厚度可達(dá)數(shù)毫米，具有成形效率高、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于中大型金屬結(jié)構(gòu)件，與傳統(tǒng)減材加工相比，電弧增材制造系統(tǒng)可將加工時(shí)間減少40%~60%，后處理時(shí)間減少15%~20%。例如，最近WAAM技術(shù)取得突破性進(jìn)展，使得增材制造飛機(jī)起落架成為可能，與傳統(tǒng)減材加工相比，可節(jié)省78%的原材料。不同增材制造方式成形件的幾何形貌、相對(duì)成本、成形效率和精度方面的特點(diǎn)對(duì)比如圖5所示。由圖可知，WAAM技術(shù)的表面波紋度可以控制在0.4mm，沉積效率為1~4kg/h，制造成本相對(duì)也是最低的；但在精度方面，低于粉末床和噴粉金屬，需要后續(xù)精加工。此外，電弧增材制造樣件的減材過(guò)程同電子束和激光直接成形的樣件所需方式一樣。

WAAM技術(shù)與其他工藝對(duì)比

WAAM技術(shù)的能量利用率最高可達(dá)到90%，電子束作為熱源的能量利用率在20%以?xún)?nèi)，以激光作為熱源的能量利用率小于10%，對(duì)于鋁和銅合金等高反射率材料，激光能量利用率甚至不足2%。圖6進(jìn)一步展示了WAAM技術(shù)相比以激光和電子束為熱源的優(yōu)勢(shì)，WAAM技術(shù)的設(shè)備成本更低，同時(shí)相對(duì)開(kāi)放的設(shè)備給在線監(jiān)控、缺陷監(jiān)測(cè)、無(wú)損檢測(cè)和減材加工等附加裝置與系統(tǒng)加入提供了充足的空間，更易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

WAAM技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)雷達(dá)圖

WAAM技術(shù)以金屬絲材為原料，在原材料制造、存儲(chǔ)以及成本方面相比粉末有著明顯的優(yōu)勢(shì)。WAAM使用的絲材，鋼的成本為20~150元/kg，鈦合金為900~2000元/kg；而采用粉末原料時(shí)，同樣的材料成本為600~1000元/kg和2600~7000元/kg。原材料和設(shè)備成本的巨大差異，使得熔絲增材制造的成本不足粉末床的1/10。WAAM制造生產(chǎn)鈦組分構(gòu)件比傳統(tǒng)工藝便宜7%~69%。相比粉末原材料，絲材的制備和保存更容易，不易引起污染，不用考慮粉末粒徑和大小分布，對(duì)操作人員更安全。金屬絲材在被電弧熔化全部進(jìn)入熔池，除了后續(xù)的切削加工，材料利用率幾乎為100%。

WAAM技術(shù)沉積效率最高可達(dá)10kg/h，鋼和鋁的沉積效率一般保持在1~4kg/h，沉積速度過(guò)高會(huì)增大切削加工余量，增加成本和制造周期。對(duì)于復(fù)雜航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件，傳統(tǒng)制造方式的BTF值（不可持續(xù)購(gòu)買(mǎi)/飛行比）超過(guò)30，使用電弧增材制造相同零件時(shí)，鋁合金和鈦合金的沉積效率控制在1kg/h，鋼的沉積效率為3kg/h時(shí)，可以保持BTF<1.5，同時(shí)最大程度節(jié)約成本。

在性能方面，Banfeld等人采用WAAM技術(shù)制備的Ti6Al4V展示了良好的高周疲勞性能，相比退火態(tài)提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)，相比PBF技術(shù)成形件致密度幾乎為100%，氣孔與夾雜缺陷更少。WAAM成形過(guò)程中因無(wú)需防護(hù)和避免氧化的裝置，成形尺寸不受空間限制。