增材製造（Additive Manufacturing,AM）技術是基於(yu) 離散-堆積原理，由零件三維數據驅動，采用材料逐層累加的方法製造實體(ti) 零件的快速成形技術。該成形方法最大優(you) 勢是無需傳(chuan) 統的刀具即可成形、降低工序、縮短產(chan) 品製造周期，尤其適於(yu) 低成本小批量產(chan) 品製造，而且越是結構複雜、原材料附加值高的產(chan) 品，其快速高效成形的優(you) 勢越顯著，在航空航天、生物醫學、能源化工、微納製造等領域具有廣闊應用前景。
麵對新型飛行器低成本、高可靠性的要求，其零部件逐漸向大型化、整體(ti) 化發展。增材製造技術無需模具，可直接低成本一體(ti) 化製造複雜構件，並有望基於(yu) 增材製造技術在構型能力上的優(you) 勢，進一步優(you) 化現飛行器零部件結構，提高結構效率，實現結構輕量化、高性能化。由於(yu) 簡化或省略了傳(chuan) 統製造中的工藝準備、模具設計等環節，產(chan) 品數字化設計、製造、分析高度一體(ti) 化，能夠顯著縮短研發周期和研發成本。
金屬增材製造技術按熱源類型可分為(wei) 3類：激光、電子束和電弧。過去20年主要研究以激光、電子束為(wei) 熱源的粉基金屬增材製造技術，通過不斷熔化或燒結金屬粉來連續逐層製備複雜結構零部件，現已應用於(yu) 航空航天、國防軍(jun) 工、能源動力等高精尖技術領域部分關(guan) 鍵零部件，但由於(yu) 其原材料、熱源特點，金屬粉基激光、電子束增材製造技術在成形某些特定結構或特定成分構件時受到一定限製而無法實現或即使可以成形，其原材料、時間成本很高，具有諸多不足之處：（1）對於(yu) 激光熱源，其成形速率慢、鋁合金對激光的吸收率低等；（2）對於(yu) 電子束熱源，真空爐體(ti) 尺寸對構件體(ti) 積的限製；（3）粉基金屬原材料製備成本較高、易受汙染、利用率低等均增加了原料成本。
基於(yu) 上述原因，現有的技術成形大尺寸複雜結構件時表現出一定的局限性，為(wei) 了應對大型化、整體(ti) 化航天結構件的增材製造需求，基於(yu) 堆焊技術發展起來的低成本、高效率電弧增材製造技術受到部分學者關(guan) 注。電弧增材製造技術（Wireand Arc Additive Manufacture,WAAM）以電弧為(wei) 載能束，采用逐層堆焊的方式製造金屬實體(ti) 構件，該技術主要基於(yu) TIG、MIG、SAW等焊接技術發展而來，成形零件由全焊縫構成，化學成分均勻、致密度高，開放的成形環境對成形件尺寸無限製，成形速率可達幾kg/h，但電弧增材製造的零件表麵波動較大，成形件表麵質量較低，一般需要二次表麵機加工，相比激光、電子束增材製造，電弧增材製造技術的主要應用目標是大尺寸複雜構件的低成本、高效快速近淨成形。
本文主要介紹電弧增材製造技術現狀，分析現階段該技術研究的不足之處，探討其可能的發展方向，闡述該技術在大型化、整體(ti) 化高端航空零部件製造中的應用。
WAAM技術現狀
1WAAM裝備係統：1.1基本硬件構成及特征
電弧增材製造是數字化連續堆焊成形過程，其基本成形硬件係統應包括成形熱源、送絲(si) 係統及運動執行機構。電弧增材製造三維實體(ti) 零件依賴於(yu) 逐點控製的熔池在線、麵、體(ti) 的重複再現，若從(cong) 載能束的特征考慮，其電弧越穩定越有利於(yu) 成形過程控製，即成形形貌的連續一致性。因此，電弧穩定、無飛濺的非熔化極氣體(ti) 保護焊（TIG）和基於(yu) 熔化極惰性/活性氣體(ti) 保護焊（MIG/MAG）開發出冷金屬過渡（Cold metal Transfer,CMT）技術成為(wei) 目前主要使用的熱源提供方式。
作為(wei) 由點向三維方向擴展的運動執行機構，其位移與(yu) 速度、位置的重複定位精度、運動穩定性等對成形件尺寸精度的影響至關(guan) 重要，目前使用較多的是數控機床和機器人。數控機床多作為(wei) 形狀簡單、尺寸較大的大型構件成形，機器人具有更多的運動自由度，與(yu) 數控變位機配合，在成形複雜結構及形狀上更具優(you) 勢，但基於(yu) TIG的側(ce) 向填絲(si) 電弧增材製造因絲(si) 與(yu) 弧非同軸，如果不能保證送絲(si) 與(yu) 運動方向的相位關(guan) 係，高自由度的機器人可能並不適合，所以機器人多與(yu) MIG/MAG、CMT、TOP-TIG等絲(si) 弧同軸的焊接電源配合搭建電弧增材成形平台。在國內(nei) 外電弧增材相關(guan) 研究機構的報道中，所采用的成形係統如表1所示。相比TIG、MIG/MAG、PAW等，CMT具有低熱輸入、無飛濺等特點。此外，其送絲(si) 運動與(yu) 熔滴過渡過程可進行數字化協調，在物質輸入方麵具有更高的可操控性，可能會(hui) 成為(wei) 將來電弧增材製造的主要熱源方式。
 

總體(ti) 而言，電弧增材製造載能束具有熱流密度低、加熱半徑大、熱源強度高等特征，成形過程中往複移動的瞬時點熱源與(yu) 成形環境強烈相互作用，其熱邊界條件具有非線性時變特征，故成形過程穩定性控製是獲得連續一致成形形貌的難點，尤其對大尺寸構件而言，熱積累引起的環境變量變化更顯著，達到定態熔池需要更長的過渡時間。針對熱積累導致的環境變化，如何實現過程穩定性控製以保證成形尺寸精度是現階段電弧增材製造的研究熱點。基於(yu) 視覺傳(chuan) 感係統的焊接質量在線監測與(yu) 控製技術首先被移植應用於(yu) 該領域，並取得了一定成果。
1.2成形過程穩定性硬件係統
電弧增材成形采用逐層累加的方式構建三維實體(ti) 零件，保證形狀、尺寸精度，需要單層成形尺寸與(yu) 三維數字化模型建立的分層切片數據一致，但在實際成形過程中，熱積累作用導致熔池體(ti) 係熱邊界環境非線性時變，故實現自動化電弧增材製造係統除了以上的基本成形硬件條件外，還需要能夠對每一沉積層的表麵形貌、質量及尺寸精度進行在線監測和控製。
WAAM增材製造是以高溫液態金屬熔滴過渡的方法通過逐層累積的方式成形的，成形過程中隨著堆焊層數的增加，成形件熱積累嚴(yan) 重、散熱條件變差，以至於(yu) 熔池凝固時間增加，熔池形狀難於(yu) 控製，尤其是在零件邊緣，由於(yu) 液態熔池的存在，邊緣形貌與(yu) 成形尺寸的控製更加困難，即熱積累作用導致熔池體(ti) 係熱邊界環境非線性時變，故實現自動化電弧增材製造係統除了以上的基本成形硬件條件外，還需要能夠對每一沉積層的表麵形貌、質量及尺寸精度進行在線監測和控製。在焊槍處安裝紅外溫度傳(chuan) 感器的被動反饋式層間溫度控製方式，強烈依賴於(yu) 人為(wei) 目標參數的設置，而直接以熔覆層的形貌尺寸特征作為(wei) 信號源，通過實時在線監測尺寸信息，實現反饋調節可能更可取。如圖1所示，美國Tufts大學Kwak等建立了利用MIG焊槍進行堆焊成形，等離子槍在線熱處理，通過兩(liang) 套結構光傳(chuan) 感器對熔覆層形貌特征進行監測，以及一套紅外攝像機用於(yu) 成形件表麵溫度在線監測的雙輸入輸出閉環控製係統，以焊速和送絲(si) 速度作為(wei) 控製變量，熔覆堆高和層寬作為(wei) 被控變量，實現對成形過程中成形尺寸的實時閉環控製。

　　國內(nei) 張廣軍(jun) 等設計了一套用於(yu) 焊道特征尺寸控製的雙被動視覺傳(chuan) 感係統，如圖2所示，可同時獲得熔敷層寬度和焊槍到熔敷層表麵的高度圖像，實現了熔敷層有效寬度、堆高等參數的在線準確檢測，並以熔敷層有效寬度為(wei) 被控變量，焊速為(wei) 控製變量，設計了單神經元自學習(xi) PSD控製器，通過模擬仿真和幹擾試驗驗證了控製器性能。參數自學習(xi) PSD控製器在熔敷層定高度、變高度控製中均可獲得良好的控製效果，同時通過對熔敷層表麵到焊槍噴嘴的距離進行監測和自適應控製，滿足了WAAM成形穩定性的要求。

WAAM載能束熱輸入高、熱源半徑大、金屬熔體(ti) 短程流動等特征決(jue) 定了成形尺寸對工藝參數具有較弱的響應靈敏度，而且溫度越高越顯著，與(yu) 焊接過程焊縫質量的在線監測目的不同，WAAM過程的監測與(yu) 反饋控製目的在於(yu) 控形，而其寬泛的工藝規範帶使得這一反饋控製可能無法取得立竿見影的效果，故在提高成形精度上不能行之有效。WAAM的應用是“近淨成形”、“原型製造”，其追求的是低成本、高效率而非高精度，所以對成形精度要求並不苛刻（需要2次機加工）。此外，該係統需在焊槍周圍輔助複雜的光路係統，光路幹涉嚴(yan) 重約束了焊槍的可達性，而從(cong) 該技術自身特征出發，通過揭示成形機理，優(you) 化工藝，可能更適於(yu) 簡單、高效、低成本的電弧增材製造。
2成形過程穩定性的工藝控製
不同於(yu) 激光及電子束，電弧增材製造的熔池體(ti) 積較大，而且成形過程中因冷態原材料、電弧力等擾動因素的存在，使得熔池成為(wei) 一個(ge) 不穩定的體(ti) 係，但WAAM能夠成為(wei) 增材製造的先決(jue) 條件是成形過程必須使得熔池體(ti) 係具備穩定的重複再現能力。在初期試驗規律性研究階段，主要基於(yu) 電弧焊接技術，針對不同材料體(ti) 係匹配不同的焊接方法及成形係統，甄選出關(guan) 鍵影響因子，采用試驗方法研究單層單道焊縫形狀與(yu) 最終成形零件表麵質量的關(guan) 係，建立起成形質量與(yu) 焊接關(guan) 鍵工藝參數的關(guan) 係，如焊速（TS）、焊絲(si) 直徑（WD）、送絲(si) 速度（WFS）、導電嘴端麵與(yu) 工件距離（CTWD）、層間溫度、電流、電壓等。
在基於(yu) TIG的堆焊成形過程中，熔滴向熔池過渡的穩定性對於(yu) 成形質量至關(guan) 重要，電弧挺度弱於(yu) 激光、電子束等高能束，已堆焊沉積層形貌質量對下道次的堆焊表麵影響較大，上一道次形貌特征在WAAM成形技術中表現出特定時、空非連續“遺傳(chuan) ”特性，尤其是首道次成形，因基板的表麵質量、清潔度、加工狀態等不盡相同，因此首道次成形時應采用“強工藝規範”來弱化基板對成形質量的影響。圖3對比分析了在大電流、相對較高的送絲(si) 速度下首道次TC4合金成形形貌特征，送絲(si) 速度WFS=10m/min時，首道次成形表麵的“隆起”、“凹陷”缺陷較弱，成形寬度方向的波動性較低。基於(yu) “強工藝規範”的首道次成形時，因不必考慮熔池內(nei) 熔融金屬向兩(liang) 側(ce) 漫流，即重力對成形性的影響，向熔池內(nei) 持續地高速率物質輸入以弱化表麵張力作用，使得成形體(ti) 係成為(wei) 以熔融態金屬重力支配作用下的熔覆為(wei) 主，可能會(hui) 降低成形穩定性對基板特征的敏感程度而獲得連續、穩定一致的成形形貌。
 

　　TIG電弧增材製造因其弧、絲(si) 的非同軸性，在成形路徑複雜多變時，送絲(si) 方向與(yu) 堆焊方向的相位關(guan) 係保持依賴於(yu) 行走機構，往往增大了成形、控製係統的複雜性。基於(yu) MIG焊的WAAM雖然熱輸入較高，但成形速率更快，而且以焊絲(si) 作為(wei) 電極，弧、絲(si) 具有同軸性，不存在如TIG電弧增材成形的送絲(si) 方向與(yu) 焊接方向的相位關(guan) 係，成形位置的可達性更高。Fronius公司基於(yu) MIG/MAG開發出冷金屬過渡（ColdmetalTransfer，CMT）技術，因其具有超低熱輸入、熔滴過渡無飛濺、電弧穩定等不同於(yu) MIG/MAG的特征，克服了MIG增材成形的諸多弊端而在WAAM成形領域展現出獨特的優(you) 勢。2012年英國Cranfield大學研究人員係統地研究了工藝參數，如焊速、送絲(si) 速度、焊絲(si) 直徑等對基於(yu) CMT方法的WAAM技術成形形貌（有效寬度、表麵波動性等）的影響規律，以WFS/TS作為(wei) 歸一化變量，通過該比值協調調整焊速及送絲(si) 速度，使得在研究工藝與(yu) 成形形貌的相互關(guan) 係時，工藝參數的變化水平具有可表征性，以WFS/TS=30時為(wei) 例，不同TS水平下成形形貌如圖3所示。作者並未探討不同的WFS/TS水平下成形件有效寬度的變化規律，該參量或許可作為(wei) 有效寬度定量表征的參考量，因該係數直接聯係於(yu) 單位時間內(nei) 熔池物質輸入效率，而成形的“隆起”、“凹陷”缺陷應與(yu) 焊速或送絲(si) 速度水平相關(guan) ，正如圖3中的成形形貌變化特征，其調整的參考量應為(wei) 焊接熱輸入，其成形形貌的變化特征與(yu) 基於(yu) TIG的WAAM技術類似，增大焊速、降低送絲(si) 速度、減小焊絲(si) 直徑均可降低成形件的有效寬度。
近幾年，我國西北工業(ye) 大學、哈爾濱工業(ye) 大學、南昌大學、天津大學等部分高校科研機構也相繼開展了WAAM成形技術的工藝與(yu) 控製研究工作，但均處於(yu) 試驗規律性描述和成形形貌、表麵質量控製方法研究階段。增材製造以個(ge) 性化、複雜化需求為(wei) 導向，WAAM獨特的載能束特征及其強烈的載能束與(yu) 熱邊界相互作用，決(jue) 定了針對不同的材料體(ti) 係、結構特征、尺寸、熱沉條件等，WAAM成形工藝也不一而同，可能無法如其他材料加工技術那樣製定加工圖或工藝規範帶，這意味著以試驗為(wei) 基礎的經驗方法難以麵麵俱到，更需要通過探討WAAM成形物理過程，深入認識其成形基礎理論，在材料、結構、形狀、路徑改變時，成形工藝參數設計有“據”可依，以適於(yu) 自由多變靈活的WAAM成形過程。目前，國內(nei) 外公開發表的探討WAAM成形基礎理論問題的文章較少，僅(jin) 涉及到成形過程溫度場的演變及應力分布規律研究[27]，從(cong) 溫度場演變規律出發，析出熔池熱邊界一致性的控製方法，可能對於(yu) 工藝控形更具意義(yi) ，並進一步從(cong) 電弧參數和材料送進對成形過程的影響、熔池動力學、成形表麵形貌演化動力學等相關(guan) 科學問題出發，揭示電弧增材成形的物理過程，應成為(wei) 該領域研究工作的核心。

3WAAM成形件性能
相比激光、電子束增材製造技術而言，電弧的熱輸入較高，WAAM成形過程中熔池和熱影響區的尺寸較大，較長時間內(nei) 已成形構件將受到移動的電弧熱源往複後熱作用，而且隨著成形高度增大，基體(ti) 熱沉作用減弱，熱耗散條件也發生變化，每一層的熱曆程不盡相同，因此，基於(yu) 連續成形過程中溫度場演變規律，研究凝固織構的晶體(ti) 學特征及周期性，表征不同熱曆程條件下成形件的力學性能，成為(wei) 控性的基礎。

　　電弧增材成形的本質是微鑄自由熔積成形，逐點控製熔池的凝固組織可減少或避免成分偏析、縮孔、凝固裂紋等缺陷的形成。在圖4TC4鈦合金成形件組織形貌中，可明顯觀察到貫穿於(yu) 整個(ge) 成形件的粗大柱狀初生β晶粒。初生β晶粒由底層熔池底部外延生長直至距離頂部1~2mm的位置，粗大柱狀晶的顏色差異源於(yu) 不同晶粒的晶體(ti) 取向差別，晶粒長大方向幾乎垂直於(yu) 基體(ti) ，這種組織的形成可能是源於(yu) 首道次堆焊時，因采用TC4基體(ti) ，熔合線附近的基板組織發生α相向β轉變，在熔合線附近形成完全的β相組織，然後β相作為(wei) 形核點經外延生長而快速長大，下道次成形時，在熔合線附近β晶粒繼續外延長大，而在熱影響區內(nei) ，發生粗化，周而複始最終形成圖4左側(ce) 所示的宏觀粗大柱狀β晶粒。
Wang等沿不同方向在TC4單壁成形件不同位置取樣，並與(yu) 鍛件對比，評價(jia) 沿成形方向及垂直於(yu) 成形方向上成形件力學性能。在優(you) 化工藝參數下，雖然沿成形方向和垂直於(yu) 成形方向抗拉強度存在一定差異，但強度差異並不顯著。垂直於(yu) 成形方向的塑性（沿柱狀初生β晶粒方向）顯著優(you) 於(yu) 沿成形方向，比鍛件高30%左右。在本課題組有關(guan) 5A06鋁合金電弧增材成形的性能研究中，獲得了類似結論，成形件抗拉強度與(yu) 鍛件基本持平，但塑性顯著提高。鋁合金組織中並未出現圖4中貫穿整個(ge) 構件的宏觀柱狀組織，織構擇優(you) 取向特征可能並非導致塑性提高的誘因，或許與(yu) 成形過程中各層熔接特征相關(guan) ，這一猜想有待進一步驗證。增材製造最大的優(you) 勢在於(yu) 其複雜形狀的構型能力，現階段的研究工作主要聚焦於(yu) 控形，而性能的研究僅(jin) 限於(yu) 表征其性能水平。成形過程受往複移動瞬時點熱源的前熱、後熱作用，凝固織構的取向、分布、晶粒度等必然與(yu) 成形的熱物理過程相關(guan) ，因此以溫度場演變特征為(wei) 契機，實現形性一體(ti) 化控製是增材製造有別於(yu) 傳(chuan) 統減材、等材加工方法的技術優(you) 勢。
WAAM在航空製造中應用前景
隨輕量化、高機動性先進航空飛行器的發展，飛機結構件也向著輕量化、大型化、整體(ti) 化改進，低成本高效地製造高可靠性、功能結構一體(ti) 化的大型航空結構件成為(wei) 航空製造技術發展的新挑戰。電弧增材製造以連續“線”作為(wei) 基本構型單元，適於(yu) 機體(ti) 內(nei) 部框架、加強肋及壁板結構的快速成形。目前，大型整體(ti) 鈦、鋁合金結構在飛行器上的應用越來越多，雖然大型一體(ti) 化結構件可顯著減輕結構重量，但這種結構給傳(chuan) 統減材、等材加工製造帶來巨大困難。如美國F35的主承力構件仍需幾萬(wan) 噸級水壓機壓製成形，後期需要大量繁瑣的銑削、打磨等工序，製造周期長。大型框架、整體(ti) 筋板加強筋和加強肋的增材製造等強烈依賴於(yu) 機加工設備的結構件采用增材製造，可逾越國外對我國大噸位、高自由度機加工設備的技術封鎖，推進我國先進航空飛行器研發進度。
此外，受限於(yu) 傳(chuan) 統加工技術，現代飛機零部件可能在結構、重量、形狀等諸多方麵有所妥協，以便於(yu) 加工製造。基於(yu) 增材製造技術在構型能力上的優(you) 勢，麵向電弧增材製造的結構優(you) 化設計，具有更大的設計自由度，可顯著降低結構重量。EADS公司為(wei) 空客激光增材製造了結構優(you) 化的機翼支架，比使用鑄造的支架減重約40%，踐行了麵向增材製造的結構設計新思路，尤其麵對大型結構件，結構優(you) 化設計可能會(hui) 在減重方麵具有更顯著的效果。
2015年11月，紐約州已與(yu) Norsk Titanium達成“公、私合作協議”，紐約州將投資1.25億(yi) 美元建工業(ye) 規模的3D打印工廠，廠址設在紐約州Plattsburgh市。其主要成形技術為(wei) 電弧填絲(si) 增材製造，預計2016年竣工，該增材製造工廠首要目標是改變目前航空結構件大餘(yu) 量的鈦金屬去除狀況，實現高效、低成本、高材料利用率地製造航空零部件。Norsk Titanium公司製造的某電弧增材成形零件成本可降低50%~70%，可縮短75%的產(chan) 品上市時間。
發展機遇與(yu) 挑戰
不論是替代傳(chuan) 統加工製造的部分環節，還是基於(yu) 靈活的構型能力進行結構設計以優(you) 化結構，電弧增材製造技術付諸實踐還需經過一定時期的發展完善過程。2012年3月，美國白宮宣布振興(xing) 美國製造的新舉(ju) 措，投資10億(yi) 美金幫助美國製造進行體(ti) 係改革，增材製造作為(wei) 實現該項計劃的三大背景技術之一，旨在通過改善增材製造材料、裝備及標準，實現創新設計的小批量、低成本數字化製造。英、德、法等國家也相繼推出相關(guan) 措施，推動本國增材製造技術的發展。英國在電弧增材製造研究領域處於(yu) 國際前沿，以Cranfield大學為(wei) 代表的一批研究機構在政府立項、企業(ye) 出資參與(yu) 下，針對電弧增材自動化控製、成形件力學性能研究、殘餘(yu) 應力及變形控製、複雜形狀構件成形路徑規劃和工業(ye) 化應用準則等方麵開展了係統研究，並逐步建立起政府、企業(ye) 、科研機構的多層次研團隊梯隊，與(yu) Airbus、Rolls-Royce、BAESystem、BombardierAerospace、Astrium、EADS等一大批航空航天企業(ye) 建立並開展廣泛研究合作，研究目標對接工業(ye) 化應用。增材製造的優(you) 勢就在於(yu) 工序簡單，能夠實現直接麵對客戶的製造，可省略其中環節而極大縮短研發周期。對增材製造而言，建立多層次多結構的研發體(ti) 係，客戶直接參與(yu) 到製造中才能盡其所能地發揮其優(you) 勢。
我國正處於(yu) 推進“中國製造”向“中國創造”的戰略轉變時期，增材製造技術對增強我國產(chan) 品自主創新能力，實現從(cong) “中國製造”向“中國創造”邁進有重要意義(yi) 。增材製造技術及產(chan) 品已經在航空航天、汽車、生物醫療、文化創意等領域得到了初步應用，湧現出一批具備一定競爭(zheng) 力的骨幹企業(ye) 。但我國電弧增材製造產(chan) 業(ye) 化仍處於(yu) 起步階段，與(yu) 先進國家相比還存在較大差距，尚未形成完整的產(chan) 業(ye) 體(ti) 係，離實現大規模產(chan) 業(ye) 化、工程化應用還有一定距離。關(guan) 鍵核心技術有待突破，裝備及核心器件、成形材料、工藝及軟件等產(chan) 業(ye) 基礎薄弱，政策與(yu) 標準體(ti) 係有待建立，缺乏有效的協調推進機製。尤其對我國電弧增材製造技術而言，其係統的研究工作起步相對較晚，較英國有一定的差距，應該在加快提升電弧增材製造技術水平的同時，加速發展其必備的核心器件，並就建立和完善產(chan) 業(ye) 標準體(ti) 係等方麵加快推進計劃，以政府及國家規劃為(wei) 導向，鼓勵更多的直接麵向客戶的企業(ye) 參與(yu) 其中，力爭(zheng) 在短期內(nei) 初步建立較為(wei) 完善的產(chan) 業(ye) 體(ti) 係，整體(ti) 技術水平保持與(yu) 國際同步，在航空航天等製造領域達到國際先進水平。