赵延林
摘要:焊接快速成形是一种集计算机、焊接、数控加工和材料科学等技术于一体的金属材料逐层叠加制造技术，主要用于小批量和复杂金属零件的直接制造。介绍了该技术的成形原理和发展优势，总结了基于熔化极气体保护焊、钨极气体保护焊、等离子弧焊及一些新型焊接方法(如冷金属过渡焊、超声波焊和搅拌摩擦焊)的快速成形技术的国内外发展现状，论述了该技术在成形材料及送给方式、成形组织性能控制和成形精度控制方面存在的问题，并就这些问题提出了相应的解决思路。
关键词:焊接;快速成形;发展现状;焊接新技术
引言：
焊接快速成形技术将传统的堆焊工艺与快速成形技术相结合，实现了金属零件的直接成形。通过计算机辅助软件(CAD)或扫描实物获得三维离散化模型，将模型沿某一坐标方向按一定的厚度进行分层切片处理，根据每层截面轮廓信息，进行工艺规划，选择加工参数，自动生成数控代码并输入成形机，将金属原材料逐层堆焊成三维零件，最后对零件进行修整后处理。相对于传统减材制造技术，焊接快速成形技术有诸多优势:省略了铸锻等大型机械加工设备，避免了减材加工造成的原材料浪费，突破了复杂结构零件的制造桎梏，允许客户定制产品，较短的成形周期缩减了订货到提货的时间，因此该先进制造技术不仅可以带来巨大的经济效益，而且可以减少对环境的污染。
一、国内外焊接快速形成技术发展现状分析
20世纪80年代，Babcock－Wilcox公司采用GMAW与PAW(PlasmaArcWelding)的混合焊，制造了奥氏体不锈钢及镍基超合金的部件。1992年，英国Rolls·Royce公司与克莱菲尔德大学联合开发了基于GMAW/GTAW(GasTungstenArcWeld-ing)的焊接快速成形系统，制造了航空发动机零部件。1998年，英国诺丁汉大学的J．D．Spencer等人利用基于机器人的焊接方法制造了金属模具。Mughal等人利用有限元模拟研究基于GMAW快速成形间隔冷却时间和连续沉积的温度场分布特征，分析成形间隔冷却时间对连续沉积过程重复加热和热量积累的影响规律，并对单层制造过程热应力分布及变形情况进行了研究。PaulA．Colegrove等人对基于GMAW焊接快速成形过程的残余应力和微观结构的改善进行了研究，通过高压轧制的方法降低残余应力、减少变形及表面粗糙度，这也导致了晶粒的再结晶。华中科技大学的周龙早、刘顺洪等人对基于焊接机器人的快速成形工艺的前期模型切片处理以及扫描路径规划算法进行了研究，编写了焊接机器人快速成形软件，该软件能够准确地完成三维模型的分层处理及路径规划，进而提高了其成形精度。该校王桂兰等人研究了电磁场对基于焊接机器人的GMAW熔积成形温度场及残余应力的影响，采用红外热像仪对附加电磁场前后的成形过程温度场分布情况及变化规律实时监测，并利用X射线衍射仪测量了成形件表面残余应力。结果表明:添加高频振荡磁场之后，成形件表面产生感应热，促使成形件表面温度场各温度区域范围增大，冷却速度降低，成形件表面的纵向和横向残余应力均减小，一定程度上改善了成形件的性能。ZhangYuming等人对基于GMAW的快速成形工艺的切片分层方法和成形精度控制进行了初步的研究。研究表明，采用好的堆积路径可以提高成形精度;在焊道的始端和末端，通过控制焊接电流和焊接速度，可以控制成形形状;熔滴过渡形式是影响成形质量的重要因素，低热输入、平稳的熔滴过渡能促进良好的成形。[1]
二、当前我国焊接快速成型技术存在的问题及思考
1、成形材料及送给方式
焊接快速成形的原材料主要有粉材和丝材两类。目前使用的粉材主要是用于金属零件表面修复的金属粉末，而对于成形专用粉末研究不足。专用粉末需满足粒径细小、粒度分布较窄、球形度高、流动性好和松紧密度高等要求。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆目前应用的丝材直径多集中在0．8～1．6mm之间，直径在0．8mm以下的专用焊丝仍有待研究解决。对于不同焊接工艺及不同材质的零件所需的专用焊丝也需要大力研究。采用先铺粉再用电弧熔积的成形方法，容易出现电弧吹粉的问题。对此，可以考虑改变粉材的加入方式，如在粉中加入粘结剂，按一定比例配成黏稠状物质，再将其逐层铺送。例如将这种方法用于金属零件表面修复时，把修复材料配成黏稠物质，然后将其抹在所需修复表面缺陷处，再利用电弧熔积完成修复。[2]
2、成形组织和性能控制
焊接快速成形过程中焊接热源不断输入热量，成形层温度场复杂多变，属于多重加热重熔过程，因此成形件的组织及性能变化复杂。堆积金属不仅受基板的约束，同时熔覆金属层间相互约束，成形件残余应力分布变得复杂，容易出现融合不良、组织性能达不到要求等缺陷。成形过程热输入的控制方法除了通过改进焊接工艺及焊枪结构、降低焊接热输入量外，也可利用计算机数值模拟方法研究焊接工艺参数，定义热分析物理参数，建立堆积模型，正确划分网格，加载合适的热源，求解得到温度场分布云图及温度随高度和时间变化曲线，分析焊接参数、扫描路径和层间间隔时间等工艺参数对温度场分布的影响规律。设计合适的冷却系统，调控温度场分布，通过视觉传感系统实时监测熔池图像及弧长信息，并反馈给主控系统，以此调整工艺参数。可以考虑采用一些新的焊接方法来降低焊接热输入。如冷金属过渡焊接工艺，采用短路过渡，当起弧后，焊接电流开始降低，直至弧灭，焊丝回抽有助于熔滴过渡，熔滴从焊丝端脱落后，电弧再次点燃。通过这种冷－热交替降低焊接热输入。对于由于合金成分造成组织性能达不到要求的问题可采用合金化处理方法，除了通过粉材本身实现合金化外可考虑通过外加成分实现。如将某种粉材与造渣、脱氧、合金化、粘结等物质按一定比例配成新的粉材，再将其逐层铺送。在某些特定场合可用一种替代焊接电弧热源的方法，如铝热剂法。铝热剂是铝粉和难熔金属氧化物的混合物，可用于引发一些需要高温的反应。将铝热剂及其他材料配成黏稠物质，可以低温点燃并用于熔积成形。
3、成形精度控制
焊接快速成形过程包括建立模型、切片分层处理和逐层熔覆堆积等一系列过程，各环节不可避免地产生误差，影响成形精度。影响成形精度的主要因素包括以下几种:①切片分层处理误差;②焊接快速成形过程中热量不断累积，可能造成熔融金属流淌，导致台阶效应，影响成形精度;③通过逐层熔覆堆积的成形方法会产生残余应力，这使成形件翘曲变形，变形的累积会严重影响成形精度;④在成形焊接过程中，每次起弧和灭弧都会产生焊瘤，继而降低成形精度。成形精度的提高除了通过加强对前期模型处理的精确性研究外，可考虑通过有限元模拟优化工艺参数，选择温度场和应力场直接耦合或间接耦合，求解得到应力场分布云图，分析工艺参数对应力场分布的影响规律，进而降低残余应力。可以考虑降低成形所用丝材直径，从而减小熔滴尺寸，降低热输入，提高成形尺寸精度和表面精度。此外，也可以考虑采用复合加热的方法，如在500℃的环境中进行焊接成形，降低了电弧温度使用要求，金属材料容易达到熔点，热源离开后，只冷却到500℃，成形部分间温差缩小，可以有效避免应力产生，成形后再进行整体去应力热处理。对于起弧和灭弧时会产生焊瘤，影响成形形状的问题，可以考虑对影响起弧和收弧的焊接参数进行合理控制，并选用好的堆积路径。
结束语：
焊接快速成形作为一种新型的金属零件制造技术，有巨大潜力和广阔的发展前景，然而该技术发展时间较短，尚未成熟，仍存在较多的亟待解决的问题。随着国内外研究的不断深入，以及飞速发展的计算机技术的应用，焊接快速成形技术在未来会日益成熟，并将在医疗、工业、国防、航空航天等领域得到广泛应用。
参考文献：
[1]花拥斌, 刘玉涛, 宁翔,等. 基于胶态法的陶瓷件快速成形技术发展现状与展望[J]. 大陆桥视野, 2017(2).
[2]丁新征. 基于快速成型技术的机械铸造生产思考[J]. 工程技术:引文版, 2017(1):00248-00248.
论文作者:赵延林
论文发表刊物:《防护工程》2018年第9期
论文发表时间:2018/9/4
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