大连华锐重工冶金设备制造有限公司
摘要：随着社会的发展，我国的科学技术的发展也越来越迅速。市场的迫切需求与企业产品开发与制造之间的关系成为尖锐矛盾。在全球工业4.0革新的浪潮下，智能制造与日益变化市场需求需要达到新的契合点，产品的定制化生产大势所趋。定制化产品要求在控制在一定的成本范围内，能够实现产品单件或小批量制造。因而，定制化产品在最大程度的满足客户需求的同时要求制造企业具有充分的灵活性。为缩短产品的开发与制造周期以应对激烈市场环境的挑战，自主快速产品开发的能力成为制造业全球竞争的实力基础。因此，产品的开发速度和制造技术的柔性显得十分关键。上世纪80年代末，快速成形技术应运而生。快速成形技术（RapidPrototyping，简称RP）是应用有限元思想，基于材料堆积的一种高新制造技术。它集机电、CAD/CAM、CNC、逆向工程、材料科学等众多前沿技术于一体，以“所见即所得”为出发点，以设计者为中心，将产品的设计思想通过快速成形直接转变为产品或零件，为零件样件、产品装配、、设计校验甚至产品量产等多方面提供高性价比的技术支持。目前，较成熟的工艺方法有：光固化、分层实体制造、选择性激光烧结、熔化沉积制造、三维印刷成形、光掩膜等。但应用快速成形的相关产品始终在强度、精度、致密性等局限因素的影响下，并未带来爆发式的发展与推广。
关键词：焊接快速成形技术；研究现状；发展趋势
引言
焊接快速成形是一种集计算机、焊接、数控加工和材料科学等技术于一体的金属材料逐层叠加制造技术，主要用于小批量和复杂金属零件的直接制造。介绍了该技术的成形原理和发展优势，总结了基于熔化极气体保护焊、钨极气体保护焊、等离子弧焊及一些新型焊接方法(如冷金属过渡焊、超声波焊和搅拌摩擦焊)的快速成形技术的国内外发展现状，论述了该技术在成形材料及送给方式、成形组织性能控制和成形精度控制方面存在的问题，并就这些问题提出了相应的解决思路。
1快速成形技术的特点
快速成形技术最初仅用于非金属材料，而今应用于金属材料已在一些方面得到了良好的发展，成为推动快速成形技术发展的重要方面。目前，快速成型技术已在航空航天、军事科技、医学考古、精密制造等领域都得到了广泛应用，并且逐步融入普通民用领域，如家用电器的研发与制造、工业产品的造型设计等。随着快速成形技术本身的发展于进步，特别是新材料的诞生和新能源技术的融入，精度、强度等局限性的逐步克服，制造成本的进一步降低，其应用领域将继续拓展。随着新能源新材料的高速融合，如钛合金激光焊接快速成型技术，终将解决金属材料快速制造技术组织致密性、尺寸精确度、表面粗糙度、力学性能等方面的问题。
2焊接快速成形存在的问题及思考
虽然焊接快速成形技术发展前景很大，具有生产效率高、成本低和柔性好等优点，但是仍然存在一些问题，表现在成形材料及送给方式、成形组织和性能控制以及成形精度控制等方面。
2.1成形材料及送给方式
焊接快速成形的原材料主要有粉材和丝材两类。目前使用的粉材主要是用于金属零件表面修复的金属粉末，而对于成形专用粉末研究不足。专用粉末需满足粒径细小、粒度分布较窄、球形度高、流动性好和松紧密度高等要求。目前应用的丝材直径多集中在0．8～1．6mm之间，直径在0．8mm以下的专用焊丝仍有待研究解决。对于不同焊接工艺及不同材质的零件所需的专用焊丝也需要大力研究。采用先铺粉再用电弧熔积的成形方法，容易出现电弧吹粉的问题。对此，可以考虑改变粉材的加入方式，如在粉中加入粘结剂，按一定比例配成黏稠状物质，再将其逐层铺送。例如将这种方法用于金属零件表面修复时，把修复材料配成黏稠物质，然后将其抹在所需修复表面缺陷处，再利用电弧熔积完成修复。
2.2成形组织和性能控制
焊接快速成形过程中焊接热源不断输入热量，成形层温度场复杂多变，属于多重加热重熔过程，因此成形件的组织及性能变化复杂。堆积金属不仅受基板的约束，同时熔覆金属层间相互约束，成形件残余应力分布变得复杂，容易出现融合不良、组织性能达不到要求等缺陷。成形过程热输入的控制方法除了通过改进焊接工艺及焊枪结构、降低焊接热输入量外，也可利用计算机数值模拟方法研究焊接工艺参数，定义热分析物理参数，建立堆积模型，正确划分网格，加载合适的热源，求解得到温度场分布云图及温度随高度和时间变化曲线，分析焊接参数、扫描路径和层间间隔时间等工艺参数对温度场分布的影响规律。设计合适的冷却系统，调控温度场分布，通过视觉传感系统实时监测熔池图像及弧长信息，并反馈给主控系统，以此调整工艺参数。可以考虑采用一些新的焊接方法来降低焊接热输入。如冷金属过渡焊接工艺，采用短路过渡，当起弧后，焊接电流开始降低，直至弧灭，焊丝回抽有助于熔滴过渡，熔滴从焊丝端脱落后，电弧再次点燃。通过这种冷－热交替降低焊接热输入。对于由于合金成分造成组织性能达不到要求的问题可采用合金化处理方法，除了通过粉材本身实现合金化外可考虑通过外加成分实现。如将某种粉材与造渣、脱氧、合金化、粘结等物质按一定比例配成新的粉材，再将其逐层铺送。在某些特定场合可用一种替代焊接电弧热源的方法，如铝热剂法。铝热剂是铝粉和难熔金属氧化物的混合物，可用于引发一些需要高温的反应。将铝热剂及其他材料配成黏稠物质，可以低温点燃并用于熔积成形。
2.3成形精度控制
焊接快速成形过程包括建立模型、切片分层处理和逐层熔覆堆积等一系列过程，各环节不可避免地产生误差，影响成形精度。影响成形精度的主要因素包括以下几种:①切片分层处理误差;②焊接快速成形过程中热量不断累积，可能造成熔融金属流淌，导致台阶效应，影响成形精度;③通过逐层熔覆堆积的成形方法会产生残余应力，这使成形件翘曲变形，变形的累积会严重影响成形精度;④在成形焊接过程中，每次起弧和灭弧都会产生焊瘤，继而降低成形精度。成形精度的提高除了通过加强对前期模型处理的精确性研究外，可考虑通过有限元模拟优化工艺参数，选择温度场和应力场直接耦合或间接耦合，求解得到应力场分布云图，分析工艺参数对应力场分布的影响规律，进而降低残余应力。可以考虑降低成形所用丝材直径，从而减小熔滴尺寸，降低热输入，提高成形尺寸精度和表面精度。此外，也可以考虑采用复合加热的方法，如在500℃的环境中进行焊接成形，降低了电弧温度使用要求，金属材料容易达到熔点，热源离开后，只冷却到500℃，成形部分间温差缩小，可以有效避免应力产生，成形后再进行整体去应力热处理。对于起弧和灭弧时会产生焊瘤，影响成形形状的问题，可以考虑对影响起弧和收弧的焊接参数进行合理控制，并选用好的堆积路径。
结语
焊接快速成形作为一种新型的金属零件制造技术，有巨大潜力和广阔的发展前景，然而该技术发展时间较短，尚未成熟，仍存在较多的亟待解决的问题。随着国内外研究的不断深入，以及飞速发展的计算机技术的应用，焊接快速成形技术在未来会日益成熟，并将在医疗、工业、国防、航空航天等领域得到广泛应用。
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