丝材电弧增材制造常用材料及其缺陷研究进展
丝材电弧增材制造技术研究现状与趋势
丝材电弧增材制造技术研究现状与趋势
耿海滨;熊江涛;黄丹;李京龙;朱志华
【期刊名称】《焊接》
【年(卷),期】2015(000)011
【摘要】丝材电弧增材制造技术适于大尺寸且形状较复杂构件的低成本、高效快速成形,是与目前发展较成熟的激光增材制造方法优势互补的3D增材成形技术.文中综述了近几年国内外丝材电弧增材制造技术的研究现状,从控形控性角度分析了国内外相关研究机构的研究方向与技术优势.藉此指出,丝材电弧增材制造技术的相关研究工作仍主要聚焦于试验研究阶段,并未深入到成形机理的探究,该领域的研究工作应更深入、系统地从成形物理过程、熔池系统稳定性、组织演变规律和性能优化等角度,力求开展丝材电弧增材成形工艺及理论研究工作,推进该技术在现代制造业的应用.
【总页数】5页(P17-21)
【作者】耿海滨;熊江涛;黄丹;李京龙;朱志华
【作者单位】西北工业大学凝固技术国家重点实验室,710072;西北工业大学陕西省摩擦焊接重点实验室,710072;西北工业大学陕西省摩擦焊接重点实验
室,710072;西北工业大学陕西省摩擦焊接重点实验室,710072;北京航天动力研究所,100076
【正文语种】中文
【中图分类】TG455
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电弧熔丝增材制造综述物理过程 研究现状 应用情况及发展趋势
基本内容
2、新材料探索：探索新型高性能金属材料和非金属材料的熔丝堆积工艺，以 满足更为严苛的应用环境和高性能要求。
基本内容
3、复合制造：结合其他增材制造技术，如激光熔化、电子束熔化等，实现多 种工艺的复合制造，进一步提高制造效率和灵活性。
基本内容
4、智能化控制：加强数值模拟和人工智能技术在电弧熔丝增材制造中的应用， 实现工艺过程和产品质量的智能化控制。
二、电弧熔丝
二、电弧熔丝
电弧熔丝是一种利用电阻热效应进行加热的熔融金属制作方法。该技术具有 制作速度快、节约材料等优点，在航空航天领域具有广阔的应用前景。
1、电弧熔丝制作原理及种类
1、电弧熔丝制作原理及种类
电弧熔丝制作的基本原理是利用电极与金属丝之间的电阻热效应进行加热。 加热后，金属丝在电弧作用下熔化并滴落到制作件上，从而逐渐形成制作件。根 据加热方式的不同，电弧熔丝可分为脉冲电弧熔丝和直流电弧熔丝两种。
电弧熔丝增材制造铝合金：研究进展与未来展望
电弧熔丝增材制造技术是一种基于熔丝沉积的金属3D打印技术。通过电弧熔 化铝合金丝材，逐层堆积实现零部件的近净成形。这一技术具有降低成本、提高 材料利用率、优化产品设计等优点，为铝合金制造开辟了新的途径。
电弧熔丝增材制造铝合金：研究进展与未来展望
目前，电弧熔丝增材制造铝合金的研究主要集中在工艺优化、性能提升和新 产品开发等方面。在工艺优化方面，研究重点集中在探索工艺参数对成型质量的 影响，如电流、电压、送丝速度等。此外，铝合金材料的开发与选用也是关键。 高性能铝合金的引入，如铝锂合金、高强铝合金，可有效提高制件的综合性能。
基本内容
引言：电弧熔丝增材制造是一种先进的制造技术，通过熔化金属丝材并精确 控制其沉积形态，实现复杂三维结构的快速制造。由于其独特的优势，电弧熔丝 增材制造在航空、航天、汽车、电子等领域得到了广泛的应用。本次演示将重点 综述电弧熔丝增材制造的物理过程、研究现状、应用情况及发展趋势，以期为相 关领域的研究和应用提供有益的参考。
金属材料电弧增材制造技术研究现状
金属材料电弧增材制造技术研究现状摘要：金属材料电弧增材制造技术是一种先进的制造方法，通过在金属表面产生电弧并加热金属粉末以逐层堆叠形成三维构件。
本文对该技术的研究现状进行了综述。
主要内容包括该技术的原理、优点和应用领域。
同时，还对该技术存在的问题提出了解决方案，并展望了未来的发展趋势。
通过深入研究和实践，金属材料电弧增材制造技术有望在制造业中发挥更重要的作用。
关键词：金属材料；电弧增材制造技术；解决方案引言金属材料电弧增材制造技术是一种先进的制造方法，通过利用电弧和金属粉末的相互作用，逐层堆叠形成三维构件。
该技术具有高效、灵活和可定制性强等优点，在制造业中逐渐得到广泛应用。
本文旨在综述金属材料电弧增材制造技术的研究现状，包括其原理、应用领域以及存在的问题与解决方案。
同时，通过对未来发展趋势的展望，希望为该技术的进一步推广与应用提供参考和启示。
1.金属材料电弧增材制造技术概述金属材料电弧增材制造技术是一种先进的制造方法，其基本原理是通过在金属表面产生电弧并将金属粉末加热，使其逐层堆积形成所需的三维构件。
该技术相比传统的制造方法具有许多优点，包括高效、灵活性强和可定制性高等。
它能够实现快速原型制作、零件修复和复杂结构的打印，广泛应用于航空航天、汽车、医疗器械等领域。
电弧增材制造技术不仅可使用多种金属材料，还能够利用多种工艺参数进行控制，以获得理想的制造效果。
然而，该技术仍存在着一些挑战，例如成本、工艺控制和材料质量等方面的问题。
因此，进一步研究和改进该技术的关键参数和工艺流程是非常必要的。
2.金属材料电弧增材制造技术的研究现状金属材料电弧增材制造技术目前已经在全球范围内得到广泛的研究和应用。
在国内外相关研究中，学者们致力于推动这一技术的进一步发展和优化。
研究方向包括材料选择与开发、工艺参数优化、设备改进等。
通过实验和数值模拟方法的结合，研究人员不断探索电弧增材制造技术的优化途径，提高打印效率和制造质量。
基于多丝电弧增材制造研究现状
基于多丝电弧增材制造研究现状目录一、内容描述 (2)1.1 研究背景 (2)1.2 研究意义 (3)1.3 国内外研究现状概述 (4)二、多丝电弧增材制造技术原理及设备 (6)2.1 多丝电弧增材制造技术原理 (7)2.2 多丝电弧增材制造设备构成 (8)2.3 设备主要参数及其对加工影响分析 (9)三、多丝电弧增材制造材料研究 (11)3.1 增材制造材料的选择原则 (12)3.2 常见金属材料多丝电弧增材制造性能分析 (13)3.3 材料研发趋势与创新 (14)四、多丝电弧增材制造工艺优化 (15)4.1 工艺参数优化 (16)4.2 焊接参数优化 (17)4.3 操作技巧与注意事项 (18)4.4 工艺稳定性及其提升策略 (19)五、多丝电弧增材制造工程应用研究 (20)5.1 在航空航天领域的应用 (22)5.2 在汽车制造领域的应用 (23)5.3 在生物医疗等领域的应用案例分析 (25)六、存在问题与挑战 (25)6.1 技术难题及原因分析 (27)6.2 面临的技术瓶颈及突破方向 (28)6.3 对未来技术发展的展望 (29)七、结论与展望 (30)7.1 研究成果总结 (31)7.2 存在的问题及解决方案 (32)7.3 对后续研究的建议与展望 (33)一、内容描述随着科技的不断发展，多丝电弧增材制造技术在材料科学、制造工程和航空航天等领域的应用越来越广泛。
本文档将对基于多丝电弧增材制造的研究现状进行全面梳理和分析，以期为相关领域的研究者提供一个全面了解该技术的参考。
我们将介绍多丝电弧增材制造技术的起源和发展历程，包括其在传统电弧增材制造技术基础上的创新和突破。
我们将重点关注多丝电弧增材制造技术在不同材料、结构和性能方面的应用研究，以及在航空发动机、船舶制造、汽车零部件等领域的实际应用案例。
我们还将对多丝电弧增材制造技术的关键技术和发展趋势进行深入剖析，包括电极设计、电流控制、熔池管理、表面质量控制等方面的关键技术研究。
电弧熔丝增材制造高强钢零件工艺基础研究
摘要电弧熔丝增材制造技术（Wire and Arc Additive Manufacturing, WAAM）是金属零部件快速成形技术的一种，具有成形效率高、材料利用率高、设备成本较低、没有成形腔的限制等特点，特别适合制造大型金属零件。
当前该技术研究的材料主要为钛合金和铝合金，而对高强钢的工艺性、组织和性能研究较少。
为此，本文采用冷金属过渡技术，以大西洋CHW-95C低合金高强钢焊丝为材料，深入研究了不同工艺参数下WAAM高强钢零件的成形、组织、性能的变化规律，以及后续热数理工艺对成形构件组织和性能的影响。
针对WAAM成形技术的特点，还研究成形路径对零件成形质量的影响。
主要结论如下：首先研究了成形工艺参数对单层单道和多层单道沉积层形貌和尺寸的影响规律。
结果表明，单层单道时，当行走速度超过0.54 m/min时，电弧变得不稳定，沉积层的成形质量降低。
通过分析其有效面积比，得出多层单道焊的最优工艺参数为送丝速4.5 m/min，行走速度0.36 m/min，并在此基础上建立了成形尺寸与行走速度、送丝速度的回归模型。
其次，系统研究了热输入对WAAM高强钢的组织和力学性能的影响规律。
沉积层组织由粒状贝氏体、针状铁素体、无碳化物贝氏体和M-A组元组成。
随着热输入的增加，粒状贝氏体的含量增加，而针状铁素体和无碳化物贝氏体的含量逐渐减少，零件的抗拉强度呈增大趋势，屈服强度先增大后减小，而延伸率逐渐减小。
在不同热输入下，横向和纵向的抗拉强度和屈服强度相差最大仅为5.99 %，但是沉积态下零件和同级别的锻件相比屈服强度较低。
第三，针对成形构件屈服强度偏低的问题，对WAAM高强钢零件进行正火+淬火+高温回火热处理。
研究发现，随着回火温度的升高，零件的抗拉强度和屈服强度逐渐降低，而延伸率逐渐升高；同时，由于沉积层内合金元素的偏析引起各部分回火程度不一致，导致横向和纵向拉伸性能之差增大。
此外，在回火温度低于565 ℃时，横向和纵向的抗拉强度和屈服强度与未热处理零件相比均得到显著提高，其中屈服强度最大可提高199.6 MPa。
铝合金电弧增材制造技术研究现状及进展
铝合金电弧增材制造技术研究现状及进展作者：张江帅来源：《中国化工贸易·中旬刊》2018年第03期摘要：铝合金作为工业生产中广泛应用的一种合金，具有塑性好、强度较高、抗腐蚀性好等优点，是我国未来重点发展的高性能轻型合金材料，在汽车制造、航空领域应用广泛。
传统的制造铝合金构件的方法如铸、锻等不能够实现复杂形状的制造，由于电弧增材制造技术（WAAM）成本低、沉积效率高、成型件冶金性能好等优点，目前，许多学者在铝合金电弧增材制造方面开展了一系列研究。
关键词：特点及优势；增材制造；总结及展望1 电弧增材制造技术特点及优势增材制造技术，是中国制造2025的重点发展技术。
与传统的减法制造（如数控加工）相比，增材制造具有自由度高、成型复杂度高、自动化程度高等优点，特别是能够生产传统方法无法生产的钛和镍合金，在制造业中越来越受到重视。
电弧增材制造（WAAM）是以电弧为载能束的增材制造技术，利用气体金属电弧焊（GMAW）、钨极气体保护焊（GTAW）或等离子弧焊（PAW）等作为热源，逐层堆叠熔化的丝材从而形成金属零件的方法。
相比于激光或者电子束作为热源的增材制造方法，电弧增材制造具有沉积效率高、成型尺寸大、成本低廉等优势，能够低成本高效生产复杂金属构件。
2 铝合金电弧增材制造2.1 TIG电弧增材制造TIG电弧增材制造是以非熔化极气体保护电弧焊作为热源的增材制造方法，采用氩气作为保护气，通过不断熔化丝材堆叠成构件。
具有气孔少、熔池可见、熔渣少、堆焊层致密等优点，同时也存在残余应力、变形较大等缺点。
哈尔滨工业大学的王计辉利用TIG（非熔化极气体保护电弧焊）堆焊成型2219铝合金并对其成型工艺、试样组织特征和力学性能进行了研究。
北京航空航天大学的孙红叶等人对AL-6.3Cu进行了TIG堆焊成型，研究了焊接参数对成形尺寸的影响，并且对比分析了变极性钨极氩弧焊和复合超高频脉冲方法变极性钨极氩弧焊对成型件的影响。
结果发现复合超高频脉冲方法变极性钨极氩弧焊更有利于提高成型件的力学性能。
双丝电弧增材制造铜铝合金的组织与性能
双丝电弧增材制造铜铝合金的组织与性能摘要冷金属过渡（Cold metal transfer, CMT）技术是电弧填丝增材制造（Wire arc additive manufacturing, W AAM）技术的一种，其具有材料利用率高、沉积效率高、无飞溅、热输入量低等优点。
与传统的制造方法相比，在改善成型件性能的同时，可实现高性能金属零件经济快速成形。
铜铝合金复合材料具有良好的导电导热性、耐腐蚀性，高强度和高延展性等优点，可制成功能梯度材料来满足不同的需求。
具有广阔的应用前景，已被广泛应用于航空航天、船舶制造等领域。
目前，铜铝合金的制造主要采用真空感应熔炼，电弧熔炼，球磨等粉末冶金工艺和固液复合浇注技术。
通常对外部环境要求较为严格，这相对增加了制造成本；金属粉末的价格比填充丝材高。
另外，这些工艺不适合生产几何形状复杂的零件，而且会产生粉末颗粒未完全熔化等缺陷，降低成形件质量。
因此，低成本、高效率的铜铝合金的电弧填丝增材制造技术受到人们的青睐。
本文提出一种新的稳定的可行的双丝增材制造的方法来制造铜铝合金。
采用基于冷金属过渡技术的电弧-双丝增材制造（CMT-W AAM）系统，通过两个送丝机的协调工作，将商用的铜焊丝CuSi28L 和铝焊丝ER4043沉积到同一个熔池中，并验证双丝电弧增材制造的可行性。
首先通过调节制造过程中工艺参数，分析各工艺参数对单层单道焊缝成形质量的影响，并最终确定一组具有良好成形效果的工艺参数。
运用所选的工艺参数进行双丝电弧增材制造铜铝合金实体墙，并通过光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、电子背散射衍射（EBSD）等分析沉积层的微观组织。
分析多层多道沉积实体墙：在不同的沉积位置观察到不同的微观结构，微观结构的变化取决于沉积过程中的热累积和热循环。
沿垂直方向的力学性能之间的极限抗拉强度仅相差15 MPa，屈服强度仅相差10 MPa，伸长率相差2%；下部，中上部和上部的平均显微硬度分别为217.1 Hv，226.8 Hv和221.4 Hv，金属间化合物的存在会导致显微硬度的波动；在沉积样品的不同高度区域检测到四种相；在垂直方向上的试样表现出较优的力学性能，断面呈现混合断裂的特征。
电弧增材制造技术研究发展现状
电弧增材制造技术研究发展现状胡韬郭纯何梓良魏宝丽陈丰（安徽科技学院机械工程学院，安徽滁州233100）摘要：简要阐述了电弧增材制造技术的发展历史，分析了国外电弧增材制造研究发展现状，对电弧增材制造技术的发展前景进行了展望。
关键词：电弧增材；CMT技术；激光视觉传感技术0引言电弧增材制造技术是一种建立在电焊技术基础上的智能化、数字化的连续堆焊技术，其原理是使用焊接工艺中普遍应用的气体保护焊技术，以高温电弧为热源，熔化作为原材料的丝材，再进行一层一层堆叠，最后形成所需的零件。
1电弧增材制造技术的发展历史增材制造技术根据所使用的热源不同，主要分为激光增材制造技术、电子束增材制造技术和电弧增材制造技术以及金属固相增材技术。
其中，电弧增材制造技术是由德国科学家率先提出的一项新技术，该技术以金属焊丝为原料，采取埋弧焊接的方式，按照预先设计好的路径将融化的材料层层堆积，最后凝固成型，形成大尺寸零件。
20世纪90年代，英国的Ribeiro等人对这项技术又进行了进一步发展，同时期的Spencer等人为了零件的快速制造也做了一些工艺上的研究，这些研究对后来的电弧增材制造技术造成了极大影响。
其后的发展过程中得益于20世纪90年代以来的数字化和信息化技术的高速发展，在近30年的发展过程中成形控制和性能控制这两大问题的解决也使得电弧增材制造技术愈发成熟。
电弧增材制造技术采用传统的熔化极气体保护焊方式，其特点是热输入量较高，成型过程中输出热源反复在刚刚产生和成型的部位上移动，使其热积累量变高，使得材料在堆叠过程中会产生飞溅、形成多个气孔等一系列问题。
1.1CMT（冷金属过渡）技术CMT（冷金属过渡）技术的提出和应用则在一定程度上解决了上述难题。
电弧增材的过程中由于丝材要熔化堆叠，在持续不断的堆叠中就难免会让熔池的热积累量越来越高，不断的热量输入所产生的热量积累可能会使熔池产生飞溅问题，为此CMT技术应运而生。
相对于传统的气体保护焊，CMT技术产生的电弧温度和熔化丝材产生的熔滴温度比较低，主要得益于冷热循环交替原理。
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丝材电弧增材制造常用材料及其缺陷研究进展
随着近年来增材制造技术的不断发展和成熟，丝材电弧增材制造已成为一种重要的制造技术，广泛应用于航空、汽车、机床等领域。
本文将就丝材电弧增材制造的常用材料及其缺陷研究进展进行探讨。
一、丝材电弧增材制造常用材料
1.钛及钛合金
钛及钛合金具有质轻、高强度、良好的抗腐蚀性和热应力耐受性等优点，被广泛应用于航空和医疗等领域。
然而，其加工过程中易产生气孔、裂纹等缺陷，并且会出现氧化和氮化等问题，影响制造质量。
2.镍基合金
镍基合金具有高温抗氧化、抗腐蚀性能良好等特性，广泛应用于航空和航天等领域。
但由于其硬度较高，加工难度较大，且易引起热裂纹和形变等问题。
3.不锈钢
不锈钢具有耐磨、抗腐蚀等特性，被广泛应用于航空、医疗、船舶等领域。
然而，由于其成分复杂，易产生过热现象，导致缺陷的生成。
4.铝及铝合金
铝及铝合金具有良好的导热性、导电性、低密度等特性，被广泛应用于汽车、飞机等领域。
但其熔点较低，制造过程中易形变、产生裂纹和缩孔等缺陷。
二、丝材电弧增材制造常见缺陷
1.气孔
气孔是增材制造过程中的常见缺陷，主要是由于气体在熔池中的溶解度降低，随着熔池凝固，气体从熔池中析出形成气孔。
钛及钛合金、
镍基合金等材料由于易氧化、易氮化，使得制造过程中氧化和氮化产生
的气体也会造成气孔的形成。
2.裂纹
裂纹是增材制造过程中的重要缺陷，危害产品的力学性能，甚至会
导致制品的破裂。
裂纹的产生原因主要是由于制造过程中温度梯度大，
冷却速率快，造成局部过热和冷却应力无法释放，从而形成裂纹。
3.缩孔
缩孔是增材制造过程中的另一种重要缺陷，主要是由于材料在熔池
凝固时发生收缩，产生的拉伸应力无法得到释放而形成的。
缩孔会影响
产品的力学性能和外观，严重者甚至会导致制品的破裂。
三、常用材料缺陷治理措施
为了解决丝材电弧增材制造中常见的缺陷，提高制造质量和工艺效率，人们采取了许多有效的缺陷治理措施，如下所述：
1.加强预处理
通过提高预热温度、控制钛及钛合金中的氧、氮等元素含量、对不
锈钢进行预脱气等预处理措施，可以有效减少气孔、裂纹等缺陷的产生，提高制造质量。
2.优化焊接工艺
通过调整晶粒尺寸、熔池流动性、熔池形状等焊接工艺参数，可以
优化焊接过程，降低温度梯度并控制冷却速率，减少裂纹和缩孔等缺陷
的产生。
3.选择合适的填充丝
选择合适的填充丝对缺陷的控制也起到了很大的作用。
例如，选择
气体保护下的预合金化钛合金丝，可以有效降低气孔的产生。
四、结论
综合来看，丝材电弧增材制造是一种十分重要的制造技术，常用于
航空、航天、汽车等领域。
然而，在制造过程中常常会出现气孔、裂纹、缩孔等缺陷，严重影响了产品的质量和性能。
为了解决这些缺陷，人们提出了预处理、优化焊接工艺、选择合适的填充丝等措施。
随着技术不
断发展，相信丝材电弧增材制造技术将会越来越成熟，为各行各业的制
造业带来更多的便利和效益。