通過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)境友好型來制造大型金屬結(jié)構(gòu)件而逐漸受到工業(yè)制造部門的關(guān)注。特別是過去十年，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

WAAM技術(shù)是以絲材為原料，通過電弧將絲材逐層熔化堆積形成致密金屬零部件的過程。增材制造ASTM F3187-16標(biāo)準(zhǔn)將WAAM技術(shù)歸類于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)的專利，隨后Shockey等人提交的另一項(xiàng)專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，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，通過逐層沉積方式制造了無支撐的碳鋼薄壁結(jié)構(gòu)。Ribeiro利用開發(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，成形過程不存在方向性問題，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，通過三維切片和編程軟件為沉積過程生成預(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，如何通過各種傳感器來測(cè)量焊接信號(hào)、沉積焊道幾何形狀、熔滴過渡和層間溫度，實(shí)現(xiàn)成形過程的在線監(jiān)測(cè)和性能調(diào)控，是當(dāng)前和未來的研究熱點(diǎn)。

1.2 冷金屬過渡（CMT）技術(shù)

傳統(tǒng)GMAW在短路過渡過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年開發(fā)了無飛濺引弧技術(shù)，又經(jīng)過數(shù)年的努力，發(fā)明了冷金屬過渡技術(shù)（Coldmetaltransfer，CMT），開發(fā)了全新的GMAW焊接熔滴過渡形式，隨后該公司進(jìn)行CMT焊接系統(tǒng)的開發(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工藝首次將熔滴過渡過程同送絲運(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)，通過焊絲回抽以幫助熔滴過渡，所以熔滴在短路過渡階段電壓和電流幾乎為零，此時(shí)沒有新的熱量輸入到熔池中，熔滴過渡在一冷一熱不斷交替中完成，變換頻率達(dá)到70Hz。

CMT液滴過渡過程原理

冷金屬過渡操作的創(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%以內(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)開放的設(shè)備給在線監(jiān)控、缺陷監(jiān)測(cè)、無損檢測(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/飛行比）超過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成形過程中因無需防護(hù)和避免氧化的裝置，成形尺寸不受空間限制。