低热输入高效成形电弧增材制造研究进展及展望

电弧增材制造作为金属增材制造技术的一个重要分支，以电弧为载能束采用逐层堆积的方式制造金属构件，因其制造成本低、成形效率高、材料利用率高等优势，在航空航天、国防领域具有广阔的应用前景。沉积层热输入与丝材熔化效率的解耦控制是推进电弧增材制造技术高效、高质量发展与应用必须解决的关键科学与技术难题。分析了热输入与成形效率强耦合的主要原因，重点阐述现有的高效成形方法、热积累控制方法、低热输入热源的研究进展与不足，指出了未来电弧增材制造低热输入高效成形的主要发展方向。     

激光熔丝增材制造监测与控制系统研究现状

激光熔丝增材制造作为一种定向能量沉积技术,具有很好的发展前景。文中对国内外激光熔丝增材制造监测与控制系统进行归纳概述。现阶段,国内外激光熔丝增材制造常见的监测系统包括结构光扫描系统、红外测温成像系统等,实时监测沉积层高度、熔池状态;常见的控制系统为以闭环控制策略为主的在线反馈送丝速率控制系统、在线反馈激光功率控制系统等,在线监测系统与控制系统协同作用,能够显著优化增材制造工艺、提高成形质量。介绍了包括三维超声波扫描技术、电磁振动监测技术在内的新兴激光熔丝增材制造监测技术。结合激光熔丝增材制造技术的工艺难题对下一代监测与控制系统进行展望。国内外对沉积层高度和宽度、熔池尺寸和温度等监测对象已有较为充分的研究和试验验证,但在沉积过程中,由于激光的高能量密度会造成高温度梯度,因此对沉积过程在线高精度、高质量监测与控制技术的研究变得至关重要。 创新点： 激光熔丝增材制造成形精度要求高,同时国内外对该技术的相关工艺、成形原位控制的研究处于起步阶段,对沉积层、熔池偏差的实时监测与控制进行深入研究具有重要意义。     

电弧增材制造成形控制技术的研究现状与展望

电弧增材制造是低成本金属零件直接成形的重要研究方向之一。金属零件形貌的成形精度是评判成形质量的一个重要指标。从成形工艺特性、尺寸数学建模、过程控制等角度阐述了电弧增材制造成形控制技术的国内外研究现状;重点总结了基于视觉传感的电弧增材制造闭环控制技术的研究现状;分析了电弧增材制造成形控制技术研究存在的关键问题;提出了未来电弧增材制造成形控制技术的研究内容和发展方向。     

丝材电弧增材制造技术研究现状及展望

丝材电弧增材制造技术因其成形速度快、成形件尺寸灵活等优点受到越来越多的关注,尤其是大尺寸、复杂形状构件的高效快速成形,丝材电弧增材制造有着其独特的优势。介绍了丝材电弧增材制造技术的工艺过程,从丝材电弧增材制造成形件的成形工艺及表面质量研究、成形件组织性能研究以及成形件残余应力研究三个方面综述国内外丝材电弧增材制造技术的研究现状,总结该技术现阶段在航空航天领域的应用情况,指出研究人员对丝材电弧增材制造技术的相关研究工作聚焦于工艺优化和过程控制两个方向,怎样才能通过熔滴的平稳过渡获得高质量的成形件,如何有效控制逐层堆积过程中晶粒及显微组织变化,以抑制零件内部不良组织的产生是需要继续研究的问题。     

基于电弧的多能场复合增材制造技术研究现状

增材制造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。相较于其他增材制造技术和传统加工方式,电弧增材制造技术具有成形速度快、成本低、材料利用率高,以及成形件化学成分均匀且性能优良等优势,被广泛应用于大型金属零件制造。电弧增材制造因具有多样化的应用方向,可以满足不同标准零部件的加工制造,已经逐步成为当下主流的零部件加工技术。主要介绍了单一热源(如钨极)气体保护增材制造技术、等离子弧增材制造技术、熔化极气体保护增材制造技术、冷金属过渡增材制造技术和多能场辅助电弧复合增材制造技术,包括磁场–电弧、激光–电弧和电场–电弧等复合增材制造技术等。从宏观形貌、微观组织和力学性能3个角度出发,分析了工艺参数或工艺自身特性对增材制造成形件宏观形貌的影响,讨论了成形件显微组织演变机制及其力学性能,同时提出了单一热源与多能场辅助电弧增材制造技术在现阶段存在的问题,并给出了建议。     

铝合金点阵结构电弧增材制造技术及应用

电弧增材制造技术是制备点阵结构的有效方法。研究了点阵结构电弧增材制造装备、铝基药芯焊丝设计与制备技术、激光约束电弧工艺和点阵杆件直径、角度控制方法，制备了典型点阵结构示范件。点阵结构电弧增材制造装备由增材制造单元、激光单元与监测单元组成。设计自生Al2O3相铝合金药芯丝材Al-Cu-NiO合金体系，制备出直径1.2 mm的药芯丝材，堆积杆件具有较低的热导率。激光激发大量中性粒子电离，使电弧中的带电粒子大幅度增加，对电弧存在约束和稳定作用，提高成形精度。控制电弧增材制造熔滴体积与个数，可制备直径为2.5～7.0 mm的点阵单元杆件。控制电弧增材制造电弧枪纵向与横向运动量，可制备角度为15°～90°的点阵单元杆件。利用点阵结构电弧增材制造技术实现了平面点阵结构、圆柱面点阵结构和曲母线面点阵结构的高精度成形，点阵结构的平均压缩强度为58.53 MPa，具有较高的承载性能。在点阵测试件的上表面施加均匀热源，热源温度为500℃，时间600 s，测试件下表面温度约93℃，具有较高的隔热性能。     

丝材电弧增材制造技术的研究现状与应用

丝材电弧增材制造技术适用于大尺寸形状较复杂构件的低成本、高效快速成形。从成形系统、成形几何形状及尺寸控制、成形件组织性能分析、成形件残余应力和气孔缺陷控制方面综述了国内外电弧增材制造技术的研究现状,并且介绍了其应用情况,最后对电弧增材制造技术的研究前景进行了展望。     

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,并未深人到成形机理的探究,该领域的研究工作应更深人、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。     

电弧增材制造过程形性调控方法及在线质量监测技术研究进展

电弧增材制造(WAAM)技术具有效率高、能量利用率高、经济成本相对较低且适用于大型零部件的制造等优势，已被广泛应用于航天航空、汽车工业等领域。文中从电弧增材制造的全过程出发，以提高电弧增材制造构件精度和组织性能为目标，综述了国内外形性调控材质的研究进展，深入分析和讨论了增材制造各个阶段，包括工艺参数、路径规划、特殊能场辅助、增材复合制造，基于此过程提出对在线质量监测方面的探讨。最后，针对电弧增材制造技术面临工艺方案缺乏普适性、路径规划软件适用性不强、在线监测技术不成熟、构件质检无统一标准等主要挑战，进一步对电弧增材制造未来发展方向进行阐述，即建立工艺数据库、开展多源信息传感融合研究、研发高效模型切片和路径规划一体化软件等。     

电弧增材制造金属点阵结构研究进展

金属点阵结构是一种轻质多功能结构,具有高比强度、高比刚度、抗爆吸能、减振降噪等优势,在飞行器、船舶、车辆、建筑等领域具有广泛的应用前景。然而,迄今为止点阵结构件的应用规模仍然十分有限,主要原因是受到制造技术的严重制约。电弧增材制造技术因其离散堆积的成形特点有望实现点阵复杂结构的一体化高效低成本制造。综合分析了电弧增材制造金属空间杆结构与点阵结构的研究现状,从制造原理、成形工艺与方法、制造特点等方面进行论述,并归纳了现阶段各研究机构对于金属点阵电弧增材制造的研究进展。最后介绍了电弧增材造金属点阵结构存在的掣肘,重点分析了现有电弧增材制造在点阵制造与成形控制方面的研究进展与不足,指出了未来电弧增材制造金属点阵结构的主要发展方向。     

铝合金电弧增材制造技术研究进展

增材制造技术是制造业信息化、数字化、智能化的重要组成内容,而电弧增材技术在铝合金成形中具有较好的应用优势。从金属增材制造技术分类、发展历程、标准规范、技术原理等方面,对比分析了不同增材制造技术的优势与局限。特别介绍了以冷金属过渡技术为代表的电弧增材技术,讨论了电弧增材技术的自身优势与局限性,及其应用于铝合金结构件一体化制造的优势。从成形工艺、气孔缺陷、强韧化技术等多方面综述了国内外铝合金电弧增材技术的研究发展,介绍了目前国内外在铝合金电弧增材制造方向的研究工作以及遇到的主要问题,重点分析了铝合金电弧增材制造样品强韧化方法与效果,介绍了国内外的相关优秀案例。最后总结了未来铝合金电弧增材制造技术需要着重解决的问题与方向,包括原材料质量问题、几何精度问题、气孔、热裂纹和残余应力问题、组织和力学性能问题。     

大型金属零件电弧熔丝增材及其复合制造技术研究进展

大型金属零件广泛应用于航空航天、能源、国防等领域中的关键承力结构,多采用铸造或者锻造工艺成形制造。电弧熔丝增材及其复合制造技术是近二十年来迅速发展起来的一种快速近净成形制造技术,具有高效低成本的显著优势,是大型金属零件成形制造中热点研究方向。本文总结概述了近年来大型金属零件电弧熔丝增材制造工艺的应用与研究,指出了金属材料电弧熔丝增材制造中广泛存在的控形控性难题,介绍了多种结合传统塑性成形工艺的电弧熔丝增材复合制造技术及其控形控性方法,最后对大型金属零件电弧熔丝增材及其复合制造技术的发展进行了总结与展望。     

电弧增材制造轨迹及工艺规划研究进展

电弧熔丝增材制造是一种高效快速近净成形制造技术，凭借其低成本、高柔性的显著优势成为中/大型金属零件制造的热点研究方向及首选方案。概述了近年来电弧熔丝增材制造技术在成形轨迹及工艺规划方面的研究进展，总结了三维模型切片方法、具有不同几何特征的二轮轮廓路径规划方法、典型结构的特殊路径规划策略及成形工艺参数优化与控制策略，介绍了多方面提高表面质量与成形精度的工艺方法及悬垂结构、倾斜结构的无支撑打印策略，最后总结了电弧熔丝增材制造技术当前研究进展，指出了未来提升电弧增材制造装备及工艺控制的智能化水平的研究方向。     

电弧增材制造工艺约束下的速度规划算法研究

电弧增材制造技术是一种高效率、低成本的金属快速制造方式。然而,电弧增材制造在加工复杂零件时,受制于轨迹曲率变化大等因素,焊枪行走速度无法保持恒定,因而难以获得一致的成形形貌。提出一种基于NURBS插补的工艺约束下的速度规划算法,将电弧增材制造工艺允许的速度波动范围考虑在内,能够减小电弧增材制造过程的速度波动,提高成形形貌的一致性,最大相对误差不超过5%,满足电弧增材制造的成形控制需求。     

航空航天用电弧熔丝增材制造研究综述

电弧增材制造因其成形效率高、适用材料范围大、设备简单、工件尺寸不受限制等特点,在航空航天领域大型金属构件制备方面具有独特优势。对航空航天领域涉及的电弧熔丝增材制造(Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM)典型材料的微观组织及力学性能进行了总结分析,从增材过程工艺控制、增材后热处理以及复合增材技术三个方面综述了电弧熔丝增材工艺质量控制的方法,并概述了近年来大型金属构件电弧熔丝增材制造的应用情况,最后对大型金属零件电弧熔丝增材制造技术的发展方向进行了展望。     

电弧增材制造控形改性技术研究进展

以电弧作为热源的电弧填丝增材制造技术(WAAM),使用金属焊丝作为熔覆材料,以层间堆焊的方式,可生产出焊接缺陷少、力学性能好的构件,在航空航天、船舶制造、生物医学等领域有重要应用前景。针对电弧增材制造过程中,表面成形精度及组织性能难以准确调控的难点,文中从控制电弧增材表面成形和组织性能两方面综述了国内外研究进展。按照在增材制造时调控手段的介入阶段不同,将调控手段分为在增材过程中的调控、在增材过程后的调控两大类,分别阐述各改善调控工艺技术的原理特点和存在问题及电弧增材制造形性调控未来发展方向。     

随弧激冷对电弧增材制造温度场及组织性能的影响

针对电弧增材制造过程中严重的热积累所导致的成形件成形质量差、尺寸精度低以及晶粒粗大等问题,提出通过随弧激冷电弧增材制造方法来改善电弧增材制造过程中的热积累.采用数值模拟与试验相结合的方法研究随弧激冷对电弧增材制造过程温度场的影响,分析施加冷源对成形件的成形质量以及组织性能的影响.结果表明,施加冷源能够有效改善电弧增材制造过程中的热积累,提高成形件的成形质量以及尺寸精度,优化成形件的显微组织以及力学性能.     

丝材直径对电弧增材制造ZL114A铝合金组织与性能的影响

与金属粉末增材制造技术相比,电弧+丝材增材制造技术在成形效率上有显著优势,但在大尺寸金属构件成形时,其成形效率仍有待提高。文中以直径1.6 mm的ZL114A铝合金丝材为原材料,分析了电弧增材制造成形合金的微观组织与性能,并与原材料直径1.2 mm的成形合金进行对比。研究发现,选用直径1.6 mm丝材为原材料,能够提高电弧增材制造ZL114A合金的成形效率,直接沉积态合金的微观组织具有较大二次枝晶臂间距。经过T6热处理后,成形合金中共晶硅颗粒充分球化,均匀分布在铝基体上,合金具有优异的力学性能。     

电弧增减材复合制造精度控制研究进展

电弧增减材复合制造技术是一种将产品设计、软件控制以及增材制造与减材制造相结合的新兴技术。丝材电弧增材制造(WAAM),因其在金属增材制造中具有制备成本低、沉积效率高、材料利用率高等优势而备受推崇;又因其热输入高、成型精度相对较低而存在一定局限性。因此,亟待研发既能保证成形效率,又可以精确控制传热、传质、传力的增材复合制造技术。电弧增减材复合制造对于大型框架构件上肋板或类似薄壁墙体、筋板等构件的加工十分适合,可以实现降低制造成本和提高生产效率的目的。除增材制造精度和应力控制等问题外,增材后控形减材制造的切削问题不同于传统的去除加工,也受增材沉积表面不均匀性、增材余热和残余应力等因素影响。为解决上述问题,近年来为实现高速高效成形、精确控形控性的多种增减材复合制造方法不断涌现。本文对目前增材制造成形误差、增材后应力变形控制,以及增材后减材切削加工的相关研究进行综述,旨在探索金属构件增材复合带温减材制造的可行性,寻求合理利用增材余热,在保证最佳加工精度的前提下追求较小残余应力、良好材料微观性能和较高生产率的新型制造工艺。     

Al-Cu-Mg合金电弧增材制造技术研究

受限于铝合金商业丝材的种类,目前铝合金电弧增材制造技术研究主要集中于二元铝合金方面。本研究团队采用双丝电弧增材制造工艺,获得了不同合金组分的三元Al-Cu-Mg铝合金构件,并针对其成形、组织及力学性能等方面进行研究。结果表明:通过合理控制过程工艺参数,可获得良好构件成形;通过控制合金元素组分,可以实现对构件力学性能的有效调控;热处理工艺可以进一步提高构件的力学性能,为深入研究多元铝合金电弧增材制造奠定了基础。