電弧送絲增材制造技術(shù) ，即WAAM （Wire and Arc Additive Manufacturing）技術(shù)采用焊接電弧作為熱源將金屬絲材熔化，按設(shè)定成形路徑在基板上堆積每一層片，層層堆敷直至成形金屬件。與上述采用粉末原料的多種增材制造技術(shù)相比，WAAM的材料利用率更高，成型效率高，設(shè)備成本低，對成型件的尺寸基本無限制，雖然成形精度稍差，成型件微觀組織粗大，但仍是與激光增材制造方法優(yōu)勢互補的3D增材成形技術(shù)。
電弧增材制造技術(shù)是采用逐層堆焊的方式制造致密金屬實體構(gòu)件，因以電弧為載能束，熱輸入高，成形速度快，適用于大尺寸復(fù)雜構(gòu)件低成本、高效快速近凈成形。面對特殊金屬結(jié)構(gòu)制造成本及可靠性要求，其結(jié)構(gòu)件逐漸向大型化、整體化、智能化發(fā)展，因而該技術(shù)在大尺寸結(jié)構(gòu)件成形上具有其他增材技術(shù)不可比擬的效率與成本優(yōu)勢。電弧增材制造3D打印技術(shù)是將焊接方法與計算機輔助設(shè)計結(jié)合起來的一種加工技術(shù)，即用計算機提供的三維數(shù)據(jù)來控制焊接設(shè)備，然后通過分層掃描和堆焊的方法來制造金屬元件。
電弧增材制造技術(shù)現(xiàn)狀：
（1）熔化極氣體保護增材制造（GMA—AM） 采用電弧進行增材制造零件時，需要根據(jù)零件的尺寸與焊道基礎(chǔ)尺寸參數(shù)來設(shè)計焊接槍頭的行走路徑，電弧增材制造后期機加工以及最終成形件。
在電弧增材制造過程中，合理的夾緊形式能有效地降低添絲電弧增材結(jié)構(gòu)件的變形和缺陷。北京理工大學(xué)的Wang Xiaolong等人搭建的電弧增材制造系統(tǒng)，通過建立三維有限元模型，焊縫截面和熱源模型的正確性。采用Simufact焊接有限元分析軟件，對四種典型的夾緊形式進行了總變形和殘余應(yīng)力分布的比較。結(jié)果表明，邊緣夾緊形式比角形夾具具有更好的性能。在邊緣夾緊形式中，橫向夾緊比縱向夾緊在保證尺寸精度方面起著主導(dǎo)作用。在分析殘余應(yīng)力分布的基礎(chǔ)上，只有橫向夾緊的夾緊形式才能得到最小的殘余應(yīng)力分布。
絲材-電弧增材制造使我們能夠建立完全致密的金屬零件，主要通過在各層之間采用焊接過程沉積材料。大部分情況下，電弧增材制造過程中，焊槍始終保持垂直方向，這就要求相應(yīng)設(shè)備系統(tǒng)具備一定輔助功能，并盡可能要求在沉積過程中的各部分的相互協(xié)同移動。
冷金屬過渡技術(shù)一經(jīng)提出就受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，認為其特別適合用于電弧增材制造研究，進而CMT電弧增材制造技術(shù)一直是近幾年國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點。卜星等人正是利用冷金屬過渡技術(shù)的優(yōu)點，設(shè)計了電弧增材制造成形系統(tǒng)，同時利用搭建的系統(tǒng)研究焊接參數(shù)對焊縫熔寬和層間增高量的影響。與此同時，孫斌等研究了適合于316L絲材電弧增材的保護氣和不同焊接參數(shù)下316L焊絲的成形性，確定了適合于316L電弧增材的保護氣為98%Ar+2%O2，以及良好成形性的工藝參數(shù)范圍與組織特點，利用電弧增材制造了合格的帶頸法蘭件，如圖a所示。Almeida等人進行了Ti—6Al—4V材料的單墻體結(jié)構(gòu)電弧增材制造試驗，如圖b所示，并分析了成形零件的組織性能。Kazana等人打破了電弧增材制造只能采用平焊位置的局限，證明了全位置電弧增材制造的可行性，如圖c所示，制造過程中不添加任何支撐，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電弧增材制造提供了有力支持。同樣在英國克蘭菲爾德大學(xué)的S. W. Williams等人基于CMT技術(shù)，對電弧增材制造展開了一系列研究，其成形件如圖d所示。
（2）非熔化極氣體保護增材制造（GTA—AM） 非熔化極惰性氣體保護焊（GTAW）作為一種常用的電弧焊接方法，由于其相對飛濺較小、獨立控制熱源和送絲系統(tǒng)等優(yōu)勢，有些研究人員也嘗試采用其展開相應(yīng)增材制造工藝研究。該成形方法的技術(shù)基礎(chǔ)即為填絲鎢極氬弧多層多道焊，由穩(wěn)定的鎢極氬弧提供電弧熔化熱，同時具備配合獨立于焊接設(shè)備的同步不斷送進的焊接材料，形成具有一定幾何尺寸的致密的單層焊縫，層層堆疊，形成一定幾何形狀的構(gòu)件。
Oguzhan Y使用脈沖電流GTAW增材制造的方式制造不銹鋼部件，使用AISI 308LSi不銹鋼焊絲。研究中通過比較脈沖頻率和其他沉積工藝參數(shù)對增材制造組件的形態(tài)和微結(jié)構(gòu)特性的影響，得到的結(jié)果表明，通過脈沖電弧電流制造的沉積樣品通常具有更細的晶粒，高殘留鐵素體和不存在柱狀晶粒。脈沖頻率對制造部件的表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)有顯著的影響。
黃丹等對5A06鋁合金GTA—AM工藝進行了研究，選用φ1.2mm的5A06鋁合金焊絲作為成形材料，以TIG交流模式焊機為電源，以四軸聯(lián)動數(shù)控機構(gòu)為運動執(zhí)行機構(gòu)，建立了單層單道基板預(yù)熱溫度和電弧峰值電流工藝規(guī)范判據(jù)。研究結(jié)果表明，成形件層間組織為細小的樹枝晶和等軸晶，力學(xué)性能具有各向同性。M, Santangelo等搭建了圖5所示的試驗平臺，將焊槍、送絲器和機械臂連接在一起，從增材制造控制系統(tǒng)設(shè)計到工藝研究等方面展開系列研究，機器人被設(shè)定為數(shù)字輸出，重點描述焊接材料的材料特性，表征了焊接電弧的效率。
電弧增材制造應(yīng)用現(xiàn)狀：
近年來，WAAM技術(shù)在國外發(fā)展相對成熟，許多大型航空航天企業(yè)及高校積極開發(fā)WAAM技術(shù)，制造了大型金屬結(jié)構(gòu)件。克萊菲爾德大學(xué)采用MIG電弧增材制造技術(shù)制造鈦合金大型框架構(gòu)件（見圖6），沉積速率達到每小時數(shù)千克，焊絲利用率高達 90%以上，該產(chǎn)品的成形時間僅需1h，產(chǎn)品缺陷很少。歐洲空中客車（Airbus）、龐巴迪（Bombardier）、英國宇航系統(tǒng)（BAE system）以及洛克希德·馬丁英國公司 （Lockheed Martin-UK）、歐 洲 生 產(chǎn) 商（MBDA）和法國企業(yè)Astrium等，均利用WAAM技術(shù)實現(xiàn)了鈦合金以及高強鋼材料大型結(jié)構(gòu)件的直接制造，大大縮短了大型結(jié)構(gòu)件的研制周期。L.Martin以ER4043焊絲為原料，采用電弧增材的方法研制出了大型錐形筒體，高約380mm；Bombardier采用電弧增材技術(shù)在大型平板上直接制造了大型的飛機肋板，長約 2.5m，寬約1.2m。
國內(nèi)武漢天昱智能制造有限公司研發(fā)出基于電弧3D打印核心專利技術(shù)，進行自主開發(fā)的集電弧/等離子弧/激光于一體的微鑄鍛復(fù)合3D打印大型設(shè)備，可打印金屬范圍5000mm×2000mm×1500mm，涵蓋大、中、小各種規(guī)格不同材料復(fù)雜樣件。英國的核電站增材制造自動化單元由庫卡六軸機器人組成，在φ3.5m的轉(zhuǎn)盤上裝載著二軸機械手，機器人通過進行“TOPTIG”電弧焊的方式來完成增材制造，系統(tǒng)中集成了金屬焊絲送入焊槍，機器人按照計算機輔助設(shè)計模型的路徑來創(chuàng)建三維幾何形狀。該系統(tǒng)可用于制造大型泵和閥的殼體或壓力容器，有效降低初始成本和避免昂貴的鍛件或鑄件。
金屬電弧增材制造發(fā)展趨勢
實踐證明，電弧增材制造技術(shù)經(jīng)濟效益非常大，應(yīng)用前景也十分廣闊。隨著研究廣度和深度進一步拓展，對電弧增材制造技術(shù)的研究將重點集中在以下幾個方面。
（1）優(yōu)化工藝 對成形工藝、成形系統(tǒng)、成形材料之間的關(guān)系進行深入研究，優(yōu)化成形工藝，實現(xiàn)焊接技術(shù)與數(shù)控加工之間有效集成。開發(fā)更加先進的控制技術(shù)，實現(xiàn)對熔滴的幾何尺寸、過渡速度和溫度的有效控制；進一步研究薄壁復(fù)雜件成形過程中焊接熱應(yīng)力對成形質(zhì)量的影響。
（2）開發(fā)更加穩(wěn)定的系統(tǒng) 研發(fā)控制精度高、可靠性好、柔性高的閉環(huán)控制成形系統(tǒng)。系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)崟r監(jiān)控焊槍在成形過程中的位置，自動調(diào)整焊接工藝參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對執(zhí)行過程各環(huán)節(jié)進行控制。同時，將多種焊接工藝、多軸CNC加工單元結(jié)合在一起，以提高焊接效率，提高成形件的精度，并可以實現(xiàn)快速成形功能梯度材料的金屬成形件。研發(fā)先進的焊接機器人技術(shù)，從而進一步擴大焊接成形范圍。
（3）開發(fā)配套成形材料 電弧增材制造成形技術(shù)幾乎沒有專門的成形材料，仍然在沿用結(jié)構(gòu)鋼焊接材料，難以實現(xiàn)多功能、復(fù)雜化的要求，因此開發(fā)系列化和專業(yè)化的成本低、強度高、成形性能好又能滿足成形功能化金屬成形件成形材料就成了當(dāng)務(wù)之急。
（4）提升產(chǎn)品質(zhì)量 未來，隨著金屬電弧增材制造機理的拓展深化和金屬電弧增材制造工藝的深入研究，電弧增材制造的效率將會得到明顯改善，金屬電弧增材制造的致密度會得到大大提升，零件的力學(xué)性能會得到提高，表面質(zhì)量和其他物理性能也會得到改善。
基于電弧的金屬結(jié)構(gòu)3D打印技術(shù)，未來很有希望成為一種生產(chǎn)小批量、特殊合金部件的方法，甚至是在實際產(chǎn)品制造中都有可能廣泛被使用。因其與傳統(tǒng)工藝（包括鍛造和鑄造）的整體成本相比，在材料損耗和成本節(jié)約方面優(yōu)勢顯著，從零件的概念化到最終制造的生產(chǎn)時間將大大減少。但也有一定的局限性，表現(xiàn)為，基于熔化金屬實現(xiàn)的金屬結(jié)構(gòu)3D打印，目前它更適合塑性好的金屬材料，對于難焊金屬材料的電弧增材還有很多困難，還需要大量的研究和驗證。
