【作 者】石玗;朱珍文;張剛;李璐鵬

　　增材制造（Ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ＡＭ）是基于離散?堆積原理對三維 ＣＡＤ 模型進行降維處理，采用材料逐層累加的方法制造實體零件的技術。 相對于傳統減材（切削加工）技術，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)點在于無需傳統刀具加工即可成形，因此可減少工序、縮短產品的制造周期。 特別適于低成本、小批量產品的制造。 結構越復雜、原材料附加值越高的產品，其快速高效成形優(yōu)勢越顯著［２］。 金屬增材制造作為增材制造領域的一個重要分支，是未來實現傳統加工制造向以工業(yè) ４．０ 為導向的數字化智能制造轉型升級和變革的最重要技術支撐之一。 目前，金屬增材制造技術依據熱源特征可分為激光增材制造（Ｌａｓｅｒ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ＬＡＭ）技術［３］、絲材電弧增材制造（Ｗｉｒｅ ａｒｃ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ＷＡＡＭ）技術、電子束增材制造（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂｅａｍ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ＥＢＡＭ）技術、激光電弧復合增材制造技術四類。 以激光、電子束為熱源的高能束金屬增材制造技術已被廣泛應用于航空航天、國防軍工等高精尖領域內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、制備工藝及設備結構的局限性，其主要應用于快速成形小尺寸精密復雜構件。

　　當制造大型整體化復雜結構金屬件時，該類分法明顯表現出成形能力有限、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體構件，表現出材料利用率高、成形速度快、制造成本低等優(yōu)點，特別適合大尺寸復雜結構件的低成本快速近凈成形。 以堆焊技術發(fā)展起來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。 其中，熔化極電弧增材制造以熔化極惰性氣體保護焊（ＧＭＩＧ）為主要代表，該方法的優(yōu)點是熔敷效率高、焊絲與電弧同軸、熔滴進入熔池的位置相對穩(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 在增材過程中易保持恒定的弧長，焊接過程穩(wěn)定。

　　面對不斷變化的基材表面狀態(tài)，熔積層表面形貌對電弧形態(tài)及相應的溫度、速度、電流密度、電勢、電磁力、壓強分布的影響較小［９?１１］，基本不會產生飛濺。 等離子電弧增材制造技術具有熱源集中、成形效率高、成形致密、成形件性能優(yōu)良等特點，被廣泛應用于各種難熔金屬構件的快速成形［１２］。 縱觀目前眾多電弧增材制造研究報告發(fā)現，無論是基于 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?熔池間的強耦合及非線性時變交互作用，同時成形件與外部環(huán)境復雜的熱交換，使得成形過程穩(wěn)定性難以控制。 在電弧增材過程中基于成形結構、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)，從而導致成形件表面質量粗糙、尺寸精度低，嚴重限制了其在大型復雜結構零部件高效低成本制造中的應用［１３?１５］。 因此，如何從電弧?熔滴?熔池的熱物理過程穩(wěn)定性入手，通過動態(tài)調控增材過程熱輸入來實現電弧增材制造的精確成形，提高成形尺寸精度，改善成形表面質量，是電弧增材研究的熱點和難點，也是制約其工程化應用的關鍵瓶頸問題之一。

　　【結語與展望】

　　在發(fā)展改進型熱源方面，激光與傳統熱源復合一定程度上增加了傳質過程的穩(wěn)定性，但二者復合空間位置對增材成形過程穩(wěn)定性影響較大且成形工藝區(qū)間較窄，設備系統相對復雜。 因此，應著眼于對傳統焊接熱源的改進及新型焊接方法的提出。

　　在成形尺寸精度檢測控制方面，當前主要將已凝固的沉積層形貌作為被檢對象，研究建立反饋控制系統對當前沉積層形貌進行實時調控，但由于缺乏被檢對象與控制對象間的直接物理作用關系，所建立的神經網絡模型等的調控效果有限，因此，應明晰被檢對象與控制對象間的物理作用關系，建立強關聯的增材成形尺寸控制模型。

　　在電弧增材工藝調控方面，目前處在試驗規(guī)律性描述階段。 對于不同的材料體系、結構特征、尺寸、熱沉積條件，以試驗為基礎的經驗方法難以面面俱到。 因此應深入探討ＷＡＡＭ 成形熱物理過程及深入認識其成形基礎理論，為材料、結構、路徑發(fā)生改變設計調控成形工藝參數提供理論依據。

　　在電弧增材成形精度控制方面，以電弧增材熔池動態(tài)行為為研究對象的工作較少，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鍵。 在此基礎上，設計以熔池特征參數為輸入，以沉積層特征參數為輸出的智能控制算法，實現對成形尺寸的實時調控。

　　在電弧增材制造控形方面，弱化成形過程中電弧?熔滴?熔池系統的強耦合作用，調和現有電弧增材成形過程穩(wěn)定性與成形精度間的矛盾是關鍵。 因此，以控制電弧?熔滴?熔池系統穩(wěn)定為目標，重點研究增材成形過程中電弧?熔滴?熔池系統的自穩(wěn)定機制，是獲得高質量成形件急需解決的核心問題。

　　以下是正文：