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解析国外电弧增材制造技术的研究现状及展望

2017-05-02 08:42
野明月
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3D打印技术以“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各个行业的广泛关注。经过近一个世纪的发展,它从依据粘接原理开发的叠层成形技术逐渐发展到以紫外光为热源的光固化成形技术,再发展到现在以电弧、电子束、激光等高能束为热源的快速熔化成形技术,实现了有机材料、无机非金属材料、金属材料产品的快速制造。针对金属材料,根据高能束热源分为电弧增材制造、激光增材制造、电子束增材制造等技术,原材料一般有金属粉末和焊丝两种形式。

热源的差异导致增材制造技术在成形精度、沉积效率以及对复杂零件敏感程度等方面的差别。电弧增材制造技术(WireArcAdditive Manufacture,WAAM)是一种利用逐层熔覆原理,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)等焊机产生的电弧为热源,通过丝材的添加,在程序的控制下,根据三维数字模型由线-面-体逐渐成形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,还具有原位复合制造以及成形大尺寸零件的能力。较传统的铸造、锻造技术和其它增材制造技术具有一定先进性,与铸造、锻造工艺相比,它无需模具,整体制造周期短,柔性化程度高,能够实现数字化、智能化和并行化制造,对设计的响应快,特别适合于小批量、多品种产品的制造。

WAAM技术比铸造技术制造材料的显微组织及力学性能优异;比锻造技术产品节约原材料,尤其是贵重金属材料。与以激光和电子束为热源的增材制造技术相比,它具有沉积速率高、制造成本低等优势。与以激光为热源的增材制造技术相比,它对金属材质不敏感,可以成形对激光反射率高的材质,如铝合金、铜合金等。与SLM技术和电子束增材制造技术相比,WAAM技术还具有制造零件尺寸不受设备成型缸和真空室尺寸限制的优点。

 

电弧增材制造技术的发展历程 

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层沉积的方式制造出“3D打印”金属材质的装饰物品[9]。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[9]。Ujiie等人以SAW、TIG等为热源采用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等人采用埋弧焊接的方式逐层堆积,制造了大尺寸圆柱形厚壁不锈钢金属容器,总重量达到79t,沉积速度达到80kg/h,且成形材料具有较高的抗拉强度、屈服强度和韧性。20世纪90年代,英国推出了两项重大研究,加速了WAAM技术的发展。一项是Ribeiro等人详细描述了“基于金属材料快速成形技术”的工艺过程;另一项是Spencer等人将GMAW的焊枪固定在六轴机器人上,再进行零件的快速制造。此外,Zhang等人也发表了相似的工作,并提供了制造立壁和回转体零件的工艺方法。

1993年,Prinz和Weiss等人在CNC铣床上安装焊接设备,称之为成形沉积制造设备(SMD),并申请了相关专利。1994~1999年,英国克莱菲尔德大学(CranfieldUniversity)焊接工程研究中心(WeldingEngineeringResearchCentre)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,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进行了研究与评估。2007年,克莱菲尔德大学开展了WAAM技术的研究工作,并将该技术应用于飞机机身结构件的快速制造。

国外电弧增材制造技术的研究现状 

近年来,众多科研院所、高校以及企业对WAAM技术予以高度重视,对几何形状成形能力、材料的显 微组织特征及力学性能展开了大量基础研究。法国Ribeiro等人设计了机器人GMAW快速成形制造系统,对其几何形状的成形能力进行了研究,并成形了典型试验件,如图1所示。美国的Ouyang等人采用变极性TIG焊接系统快速成形5356铝合金零件,分析了焊接参数与沉积层几何尺寸的关系,并对预热温度、弧长控制等基础工艺进行了研究。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制造技术几何形状的成形能力及组织性能开展了相关研究。 

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低,这是由于电弧的成形位置由焊枪、焊丝及机器人的位置共同确定,激光的成形位置由振镜控制,电弧的可达性及精度比激光低。英国的Kazanas等人开展了WAAM技术制造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MTB250六轴机器人配合,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,成形倾斜薄壁件及几何封闭结构薄壁件。

他们在保持焊枪与斜薄壁角度相同的状态下,成形了角度分别为60°、45°、30°、15°的不锈钢斜薄壁件,发现在最接近基板的第二、三层处出现鼓包现象,且斜壁的角度越小,鼓包越严重。他们从理论上提出消除鼓包的方法,即第一层堆三道焊缝,第二层堆两道焊缝,第三层堆一道焊缝,形成金字塔形,同时认为此种方法的实施需要较高的技巧。为提高电弧增材制造技术的几何形状成形能力,他们改变了传统焊枪始终沿垂直方向的堆积方式,提出采用全位置焊接的方法成形产品,实现了从水平到垂直各角度薄壁件和封闭薄壁件的成形。图2为倾斜角度为0°及封闭结构的薄壁件。这表明,WAAM技术对几何形状尤其是角度不敏感,制造过程中不需要添加辅助支撑。这相比于需要添加辅助支撑的SLM等快速成形技术,具有一定的技术优势。 

组织特征及力学性能研究

材料的显微组织与其经历的热过程密切相关。采用WAAM技术制造的材料经历多次复杂热循环,与铸造或锻造材料的热历史相差甚大。这导致材料的显微组织与铸造或锻造材料的相差较大。就WAAM技术制造钛合金的显微组织而言,它一般为外延生长的长柱形β晶,铸造、锻造材料较难形成此组织。Paul等人对采用WAAM技术制造TC4材料的显微组 织进行调控,他们拟采取通过添加外部电磁场或通过滚轮轧制加压的方法获得等轴晶组织。结果表明,外加电磁场对晶粒形状的影响不大,施加外部压力的方法可以获得晶粒均匀的等轴晶。 

 

材料的显微组织对其力学性能影响较大,材料的不同组织对应不同的力学性能。Wang等人开展了电弧增材制造钛合金材料力学性能的研究,其研究结果表明:WAAM制造TC4沉积态的力学性能与锻造材料相比,具有疲劳寿命较长,延伸率相当,屈服强度和断裂强度略低,力学性能的方向性不明显等特点。此外,Ding[11]和Wang[6]等人通过有限元分析法对电弧增材制造技术过程中产生的应力及变形进行了模拟。虽然人们对WAAM技术开展了一些基础研究,但是在显微组织调控、残余应力及变形控制等方面仍需开展深入的研究。

电弧增材制造技术在航空航天领域的应用

近年来,WAAM技术在国外发展相对成熟,许多大型航空航天企业及高校积极开发WAAM技术,制造了大型金属结构件。克莱菲尔德大学采用MIG电弧增材制造技术制造钛合金大型框架构件(如图3所示),沉积速率达到数千克每小时,焊丝利用率高达90%以上,该产品的成形时间仅需1h,产品缺陷甚少。

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,均利用WAAM技术实现了钛合金以及高强钢材料大型结构件的直接制造,大大缩短了大型结构件的研制周期。图4为BAE公司制造的高强钢炮弹壳体。

LockheedMartin以ER4043焊丝为原料,采用电弧增材的方法研制出 了大型锥形筒体,高约380mm;Bombardier采用电弧增材的技术在大型平板上直接制造了大型的飞机肋板,长约2.5m,宽约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相关程序数据库尚未建立,该技术只能制造几何形状及结构较为简单的零件。然而该技术制造的精度相对其它增材制造技术的略低,一般需要后续机械加工,尚未在航空航天领域大规模工程化应用。

WAAM技术在航空航天领域的应用将主要集中在原位制造和复合制造。原位制造又包涵原位生长和原位修复两方面。原位生长是指采用电弧增材制造技术制造出所需零件。原位修复又有两种情况,一种是对新加工零件缺陷的修补,另一种是对磨损后不易拆卸旧零件的修补。这有利于提高产品的成品率或延长已有零件的使用寿命。复合制造是在已有零件的基础上直接成形出所需要的新零件,且新零件的材料可以不同于已有零件的材料。对于异种金属零件的复合制造,可以通过改变焊丝的种类形成梯度材料的方法来实现。目前,虽然WAAM设备的自动化水平相对较低,相关数据库短缺,难以实现大规模工程应用;但是随着人们的高度关注,WAAM技术在航空航天领域零件的快速研制及小批量生产方面将有十分广阔的应用前景。

作者:田彩兰 陈济轮 董鹏 何京文 王耀江(首都航天机械公司)

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