本文摘要：增材生产技术又称3D打印机技术，以今日设计，明日产品的理念受到高校、研究院所以及航空航天等大型企业的普遍注目。经过将近一个世纪的发展，它从依据粘接原理研发的叠层成形技术渐渐发展到以紫外光为热源的光固化成形技术，再行发展到现在以电弧、电子束、激光等高能束为热源的较慢熔融成形技术，构建了有机材料、无机非金属材料、金属材料产品的较慢生产。针对金属材料，根据高能束热源分成电弧增材生产、激光增材生产、电子束增材生产等技术，原材料一般有金属粉末和焊丝两种形式。

增材生产技术又称3D打印机技术，以今日设计，明日产品的理念受到高校、研究院所以及航空航天等大型企业的普遍注目。经过将近一个世纪的发展，它从依据粘接原理研发的叠层成形技术渐渐发展到以紫外光为热源的光固化成形技术，再行发展到现在以电弧、电子束、激光等高能束为热源的较慢熔融成形技术，构建了有机材料、无机非金属材料、金属材料产品的较慢生产。针对金属材料，根据高能束热源分成电弧增材生产、激光增材生产、电子束增材生产等技术，原材料一般有金属粉末和焊丝两种形式。热源的差异造成增材生产技术在成形精度、沉积效率以及对简单零件脆弱程度等方面的差异。

　　电弧增材生产技术（WireArcAdditiveManufacture，WAAM）是一种利用逐级熔覆原理，使用熔融近于惰性气体维护焊（MIG）、钨近于惰性气体维护焊（TIG）以及等离子体焊电源（PA）等焊机产生的电弧为热源，通过丝材的加到，在程序的掌控下，根据三维数字模型由线-面-体渐渐成形出有金属零件的先进设备数字化生产技术。它不仅具备沉积效率高；丝材利用率低；整体生产周期短、成本低；对零件尺寸容许较少；更容易修缮零件等优点，还具备原位填充生产以及成形大尺寸零件的能力。

较传统的铸、切削技术和其它增材生产技术具备一定先进性，与铸、切削工艺比起，它需要模具，整体生产周期短，柔性化程度低，需要构建数字化、智能化和分段化生产，对设计的号召慢，尤其适合于小批量、多品种产品的生产。WAAM技术比铸技术生产材料的显微镜的组织及力学性能出色；比切削技术产品节约原材料，特别是在是贵重金属材料。

与以激光和电子束为热源的增材生产技术比起，它具备沉积速率低、生产成本低等优势。与以激光为热源的增材生产技术比起，它对金属材质不脆弱，可以成形对激光反射率低的材质，如铝合金、铜合金等。与SLM技术和电子束增材生产技术比起，WAAM技术还具备生产零件尺寸不不受设备成型缸和真空室尺寸容许的优点。

　　电弧增材生产技术的发展历程　　早在1925年，美国的Baker等人首次以电弧为热源通过金属熔滴逐级沉积的方式生产出有3D打印机金属材质的装饰物品。20世纪70年代，德国学者首次明确提出了以金属焊丝为原料，使用挖出弧焊的方式生产大尺寸金属零件的概念。

Ujiie等人以SAW、TIG等为热源使用有所不同种焊丝成形了外壁为梯度材料的压力容器。1983年，德国Kussmaul等人使用挖出弧焊的方式逐级冲刷，生产了大尺寸圆柱形厚壁不锈钢金属容器，总重量超过79t，沉积速度超过80kg/h，且成形材料具备较高的抗拉强度、屈服强度和韧性。20世纪90年代，英国发售了两项根本性研究，加快了WAAM技术的发展。

一项是Ribeiro等人详细描述了基于金属材料较慢成形技术的工艺过程；另一项是Spencer等人将GMAW的焊枪相同在六轴机器人上，再行展开零件的较慢生产。此外，Zhang等人也公开发表了相近的工作，并获取了生产立壁和转弯体零件的工艺方法。1993年，Prinz和Weiss等人在CNC铣床上加装焊接设备，称作成形沉积生产设备（ShapedMetalDeposition,SMD），并申请人了涉及专利。

1994～1999年，英国克莱菲尔德大学（CranfieldUniversity）焊工程研究中心（WeldingEngineeringResearchCentre）为英国飞机发动机公司劳斯莱斯（Roll-Royce）研发了成形沉积生产技术（SMD）以替代传统的铸技术，同时对该技术成形的钛合金、高温合金、铝合金等材料的性能展开了研究与评估。2007年，克莱菲尔德大学积极开展了WAAM技术的研究工作，并将该技术应用于飞机机身结构件的较慢生产。　　国外电弧增材生产技术的研究现状　　近年来，众多科研院所、高校以及企业对WAAM技术不予高度重视，对几何形状成形能力、材料的显微镜的组织特征及力学性能进行了大量基础研究。

法国Ribeiro等人设计了机器人GMAW较慢成形生产系统，对其几何形状的成形能力展开了研究，并成形了典型试验件，如图1右图。美国的Ouyang等人使用逆极性TIG焊系统较慢成形5356铝合金零件，分析了焊参数与沉积层几何尺寸的关系，并对加压温度、弧长掌控等基础工艺展开了研究。

此外，德国弗劳恩霍夫激光技术研究所、美国南卫理工会大学、英国克莱菲尔德大学等科研机构也对电弧增材生产技术几何形状的成形能力及的组织性能积极开展了涉及研究：　　1、几何形状成形能力研究　　WAAM技术成形几何形状的能力比激光的较低，这是由于电弧的成形方位由焊枪、焊丝及机器人的方位联合确认，激光的成形方位由振镜掌控，电弧的可达性及精度比激光较低。英国的Kazanas等人积极开展了WAAM技术生产零件几何形状能力的基础研究。

他们将Fronius的TranspulseSynerigic5000型CMT焊机与ABB的MTB250六轴机器人因应，重新组建了WAAM系统平台，并以直径为1.2mm，牌号为ER706S-6的碳钢焊丝和ER4043的铝合金焊丝为原料，成形弯曲薄壁件及几何堵塞结构薄壁件。他们在维持焊枪与斜薄壁角度完全相同的状态下，成形了角度分别为60、45、30、15的不锈钢横薄壁件，找到在最相似基板的第二、三层处经常出现鼓包现象，且斜壁的角度就越小，鼓包就越相当严重。他们从理论上明确提出避免鼓包的方法，即第一层填三道焊缝，第二层填两道焊缝，第三层填一道焊缝，构成金字塔形，同时指出此种方法的实行必须较高的技巧。

为提升电弧增材生产技术的几何形状成形能力，他们转变了传统焊枪一直沿横向方向的冲刷方式，明确提出使用仅有方位焊的方法成形产品，构建了从水平到横向各角度薄壁件和堵塞薄壁件的成形。图2为弯曲角度为0及堵塞结构的薄壁件。这指出，WAAM技术对几何形状特别是在是角度不脆弱，生产过程中不必须加到辅助承托。这比起于必须加到辅助承托的SLM等较慢成形技术，具备一定的技术优势。

　　2、的组织特征及力学性能研究　　材料的显微镜的组织与其经历的热过程密切相关。使用WAAM技术生产的材料经历多次简单热循环，与铸或切削材料的热历史差距甚大。

这造成材料的显微镜的组织与铸或切削材料的差距较小。就WAAM技术生产钛合金的显微镜的组织而言，它一般为外延生长的长柱形晶，铸、切削材料较难构成此的组织。Paul等人对使用WAAM技术生产TC4材料的显微镜的组织展开调控，他们白鱼采行通过加到外部电磁场或通过滚轮轧制冷却的方法取得等轴晶的组织。

结果表明，另加电磁场对晶粒形状的影响并不大，产生外部压力的方法可以取得晶粒均匀分布的等轴晶。材料的显微镜的组织对其力学性能影响较小，材料的有所不同的组织对应有所不同的力学性能。Wang等人积极开展了电弧增材生产钛合金材料力学性能的研究，其研究结果表明：WAAM生产TC4沉积态的力学性能与切削材料比起，具备疲惫寿命较长，延伸率非常，屈服强度和断裂强度略高于，力学性能的方向性不显著等特点。

此外，Ding和Wang等人通过有限元分析法对电弧增材生产技术过程中产生的形变及变形展开了仿真。虽然人们对WAAM技术积极开展了一些基础研究，但是在显微镜的组织调控、瓦解形变及变形掌控等方面仍须要积极开展了解的研究。

　　电弧增材生产技术在航空航天领域的应用于近年来，WAAM技术在国外发展比较成熟期，许多大型航空航天企业及高校大力研发WAAM技术，生产了大型金属结构件。克莱菲尔德大学使用MIG电弧增材生产技术生产钛合金大型框架构件（如图3右图），沉积速率超过数千克每小时，焊丝利用率高达90%以上，该产品的成形时间仅有须要1h，产品缺失极少。欧洲空中客车（Airbus）、庞巴迪（Bombardier）英国宇航系统（BAEsystem）以及洛克希德?马丁英国公司（LockheedMartin-UK）、欧洲导弹生产商（MBDA）和法国航天企业Astrium等，皆利用WAAM技术构建了钛合金以及高强钢材漆大型结构件的必要生产，大大缩短了大型结构件的研制周期。图4为BAE公司生产的高强钢炮弹壳体。

LockheedMartin以ER4043焊丝为原料，使用电弧增材的方法研制出了大型锥形筒体，低大约380mm；Bombardier使用电弧增材的技术在大型平板上必要生产了大型的飞机肋板，长约2.5m，长大约1.2m。就该技术目前发展状态而言，WAAM技术的自动化水平较低且涉及程序数据库仍未创建，该技术不能生产几何形状及结构较为简单的零件。然而该技术生产的精度比较其它增材生产技术的略高于，一般必须先前机械加工，仍未在航空航天领域大规模工程化应用于。

　　结束语　　WAAM技术在航空航天领域的应用于将主要集中于在原位生产和填充生产。原位生产又涵括原位生长和原位修缮两方面。原位生长是指使用电弧增材生产技术生产出所须要零件。原位修缮又有两种情况，一种是对新的加工零件缺失的修复，另一种是对磨损后容易拆除原有零件的修复。

这不利于提升产品的成品率或缩短有数零件的使用寿命。填充生产是在有数零件的基础上必要成形出所必须的新零件，且新的零件的材料可以不同于有数零件的材料。对于异种金属零件的填充生产，可以通过转变焊丝的种类构成梯度材料的方法来构建。

目前，虽然WAAM设备的自动化水平比较较低，涉及数据库紧缺，难以实现大规模工程应用于；但是随着人们的高度注目，WAAM技术在航空航天领域零件的较慢研制及小批量生产方面将有十分辽阔的应用于前景。

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