【作 者】石玗;朱珍文;張剛;李璐鵬

　　增材制造（Ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ＡＭ）是基于離散?堆積原理對(duì)三維 ＣＡＤ 模型進(jìn)行降維處理，采用材料逐層累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)。 相對(duì)于傳統(tǒng)減材（切削加工）技術(shù)，增材制造是一種“自下而上”的材料累加制造方法［１］。 該方法最大優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)需傳統(tǒng)刀具加工即可成形，因此可減少工序、縮短產(chǎn)品的制造周期。 特別適于低成本、小批量產(chǎn)品的制造。 結(jié)構(gòu)越復(fù)雜、原材料附加值越高的產(chǎn)品，其快速高效成形優(yōu)勢(shì)越顯著［２］。 金屬增材制造作為增材制造領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，是未來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)加工制造向以工業(yè) ４．０ 為導(dǎo)向的數(shù)字化智能制造轉(zhuǎn)型升級(jí)和變革的最重要技術(shù)支撐之一。 目前，金屬增材制造技術(shù)依據(jù)熱源特征可分為激光增材制造（Ｌａｓｅｒ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ＬＡＭ）技術(shù)［３］、絲材電弧增材制造（Ｗｉｒｅ ａｒｃ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ＷＡＡＭ）技術(shù)、電子束增材制造（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂｅａｍ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ＥＢＡＭ）技術(shù)、激光電弧復(fù)合增材制造技術(shù)四類。 以激光、電子束為熱源的高能束金屬增材制造技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防軍工等高精尖領(lǐng)域內(nèi)部分零件的成形制造［４］，但因激光、電子束熱源的特殊性、成形原材料成分、制備工藝及設(shè)備結(jié)構(gòu)的局限性，其主要應(yīng)用于快速成形小尺寸精密復(fù)雜構(gòu)件。

　　當(dāng)制造大型整體化復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬件時(shí)，該類分法明顯表現(xiàn)出成形能力有限、效率低、成本昂貴等不足［５?８］。 但以電弧為熱源的ＷＡＡＭ 因采用逐層堆焊的方式制造金屬實(shí)體構(gòu)件，表現(xiàn)出材料利用率高、成形速度快、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，特別適合大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的低成本快速近凈成形。 以堆焊技術(shù)發(fā)展起來(lái)的電弧增材制造可分為熔化極和非熔化極電弧增材制造技術(shù)。 其中，熔化極電弧增材制造以熔化極惰性氣體保護(hù)焊（ＧＭＩＧ）為主要代表，該方法的優(yōu)點(diǎn)是熔敷效率高、焊絲與電弧同軸、熔滴進(jìn)入熔池的位置相對(duì)穩(wěn)定。 非熔化極電弧增材制造以鎢極氬弧焊（ＧＴＡＷ） 和等離子焊為代表。 ＧＴＡＷ 在增材過(guò)程中易保持恒定的弧長(zhǎng)，焊接過(guò)程穩(wěn)定。

　　面對(duì)不斷變化的基材表面狀態(tài)，熔積層表面形貌對(duì)電弧形態(tài)及相應(yīng)的溫度、速度、電流密度、電勢(shì)、電磁力、壓強(qiáng)分布的影響較?。郏?１１］，基本不會(huì)產(chǎn)生飛濺。 等離子電弧增材制造技術(shù)具有熱源集中、成形效率高、成形致密、成形件性能優(yōu)良等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種難熔金屬構(gòu)件的快速成形［１２］。 縱觀目前眾多電弧增材制造研究報(bào)告發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是基于 ＭＩＧ 焊，還是基于ＧＴＡＷ 焊等方法發(fā)展的 ＷＡＡＭ，因本身都存在電弧?熔滴?熔池間的強(qiáng)耦合及非線性時(shí)變交互作用，同時(shí)成形件與外部環(huán)境復(fù)雜的熱交換，使得成形過(guò)程穩(wěn)定性難以控制。 在電弧增材過(guò)程中基于成形結(jié)構(gòu)、散熱邊界條件及熱輸入等變化因素使得熔池邊界容易失穩(wěn)，從而導(dǎo)致成形件表面質(zhì)量粗糙、尺寸精度低，嚴(yán)重限制了其在大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件高效低成本制造中的應(yīng)用［１３?１５］。 因此，如何從電弧?熔滴?熔池的熱物理過(guò)程穩(wěn)定性入手，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)控增材過(guò)程熱輸入來(lái)實(shí)現(xiàn)電弧增材制造的精確成形，提高成形尺寸精度，改善成形表面質(zhì)量，是電弧增材研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，也是制約其工程化應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸問(wèn)題之一。

　　【結(jié)語(yǔ)與展望】

　　在發(fā)展改進(jìn)型熱源方面，激光與傳統(tǒng)熱源復(fù)合一定程度上增加了傳質(zhì)過(guò)程的穩(wěn)定性，但二者復(fù)合空間位置對(duì)增材成形過(guò)程穩(wěn)定性影響較大且成形工藝區(qū)間較窄，設(shè)備系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜。 因此，應(yīng)著眼于對(duì)傳統(tǒng)焊接熱源的改進(jìn)及新型焊接方法的提出。

　　在成形尺寸精度檢測(cè)控制方面，當(dāng)前主要將已凝固的沉積層形貌作為被檢對(duì)象，研究建立反饋控制系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前沉積層形貌進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控，但由于缺乏被檢對(duì)象與控制對(duì)象間的直接物理作用關(guān)系，所建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等的調(diào)控效果有限，因此，應(yīng)明晰被檢對(duì)象與控制對(duì)象間的物理作用關(guān)系，建立強(qiáng)關(guān)聯(lián)的增材成形尺寸控制模型。

　　在電弧增材工藝調(diào)控方面，目前處在試驗(yàn)規(guī)律性描述階段。 對(duì)于不同的材料體系、結(jié)構(gòu)特征、尺寸、熱沉積條件，以試驗(yàn)為基礎(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)方法難以面面俱到。 因此應(yīng)深入探討ＷＡＡＭ 成形熱物理過(guò)程及深入認(rèn)識(shí)其成形基礎(chǔ)理論，為材料、結(jié)構(gòu)、路徑發(fā)生改變?cè)O(shè)計(jì)調(diào)控成形工藝參數(shù)提供理論依據(jù)。

　　在電弧增材成形精度控制方面，以電弧增材熔池動(dòng)態(tài)行為為研究對(duì)象的工作較少，深入解析建立熔池行為變化與電弧增材成形形貌及尺寸精度的直接物理模型是成形控制的關(guān)鍵。 在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)以熔池特征參數(shù)為輸入，以沉積層特征參數(shù)為輸出的智能控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)成形尺寸的實(shí)時(shí)調(diào)控。

　　在電弧增材制造控形方面，弱化成形過(guò)程中電弧?熔滴?熔池系統(tǒng)的強(qiáng)耦合作用，調(diào)和現(xiàn)有電弧增材成形過(guò)程穩(wěn)定性與成形精度間的矛盾是關(guān)鍵。 因此，以控制電弧?熔滴?熔池系統(tǒng)穩(wěn)定為目標(biāo)，重點(diǎn)研究增材成形過(guò)程中電弧?熔滴?熔池系統(tǒng)的自穩(wěn)定機(jī)制，是獲得高質(zhì)量成形件急需解決的核心問(wèn)題。

　　以下是正文：