4.4 本章小结 29 结论 … 30 致谢 … 32 参考文献… 33

附录 A… 35 附录 B… 41

1 绪论

电弧增材制造技术（Wire and Arc Additive Manufacture, WAAM）以电弧为载能束，利用 逐层熔覆原理，采用熔化极惰性气体保护焊接（MIG）、钨极惰性气体保护焊接（TIG）以及 等离子体焊接电源（PA）等焊机进行堆积，通过持续不断的送丝，在计算机软件的控制下， 依据 3D 模型由线-面-体逐渐成型出金属零件的先进数字化制造技术。它不仅具有沉积效率高； 丝材利用率高；整体制造周期短、成本低；对零件尺寸限制少；易于修复零件等优点，还具 有成型大尺寸零件的能力。相比于铸造、锻造技术而言增材制造技术比较先进。与铸造、锻 造技术相比，电弧增材制造技术不需要模具，这样节约了前期准备时间以至于制造时间更短， 同时更是降低了制造成本，没有了模具同样也减少了制造过程中的限制。电弧增材制造技术 比铸造所成型的构件的显微组织及力学性能更加优异；比锻造所成型的构件更节约材料，尤 其是在使用贵重金属材料成型的过程中这个优点尤为可贵。与以激光为热源的增材制造技术 相比，电弧不会像激光一样存在因为某些金属（铝合金、铜合金等）存在高反射率而无法焊 接成型的问题。与电子束增材制造技术相比，电弧增材制造技术不需要抽真空，也就是不需 要真空室。这样既节约了焊接成本，也不会因为空间问题受限。

1.1 电弧增材制造发展过程

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层堆积的方式堆焊 出了金属物品并且以此申请了专利[1]，这便是早期的“3D 打印”。但是在当时此项技术并未引 起很多关注。20 世纪 70 年代，德国学者首次提出了以金属焊丝为原料，采用埋弧焊接的方 式制造大尺寸金属零件的概念[1]。Ujiie 等人以埋弧焊、钨极氩弧焊等焊接方式使用异种焊丝 堆积出壳体为不同材料的压力容器。1983 年，德国 Kussmaul 等人[2]采用埋弧焊的方法堆积了 大型圆柱厚壁容器，并且经过测试此容器具有良好的力学性能。由于这种焊接方法的缺点是 成型精度极低所以这种方法只适用于大型构件的制造。直至 20 世纪 90 年代， 受益于计算 机技术及数字化控制技术的蓬勃发展，电弧增材制造技术结合数字化控制技术在成型大型复 杂结构件上表现出很大的优势。使得电弧增材制造技术进入到很多国际上科研机构的视野中 并对此技术开始进行研究。在这期间英国推出了两项重要研究，加速了电弧增材制造技术的 发展。一项是 Ribeiro[3]等人描述了一种“基于金属材料快速成型技术”的工艺过程，并设计了 一套机器人 GMAW 快速成形制造系统，该方法成型的构件如图 1.1 所示；第二项是在 1998 年，英国诺丁汉大学 Spencer 等人[4]提出 GMAW 三维焊接成型方法，即将 GMAW 的焊枪固 定在六轴机器人上进行金属零件的快速成型，成型成果如图 1.2 所示。1994～1999 年，英国克莱菲尔德大学焊接工程研究中心为英国飞机发动机公司劳斯莱斯（Roll-Royce）开发了成形 沉积制造技术（SMD）以替代传统的铸造技术，并成功制造了发动机机匣。经过这个事情之 后，电弧增材制造引起了国内外众多研究机构的重视，相继加大对于电弧增材制造的研究， 使得电弧增材制造的研究工作达到一个新的高潮。

1.2    电弧增材制造研究现状

1.2.1 电弧增材制造工艺的研究

电弧增材制造是以电弧为载能束，不同于以激光或者是以电子束为热源的焊接方式，电 弧增材制造过程中的熔池体积大，同时在成型过程中还存在母材初始温度、电弧吹力、电源 特性等干扰或不稳定因素的存在，使得熔池也变得不够稳定。熔池的不稳定同时也会导致成 型过程每道焊缝的成分、组织、性能等存在偏差。这种情况的出现对于堆焊是不能接受的， 所以说电弧增材制造过程中的工艺设计变得尤为重要。