山東大學(xué)新型金屬3D打印技術(shù)：強制收縮線電弧增材制造（CC-WAAM）

南極熊獲悉，中國山東大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種新型金屬3D打印方法，稱為強制收縮線電弧增材制造（CC-WAAM）。通過改進(jìn)WAAM，該工藝可以更好地控制金屬的形成狀態(tài)，生成具有均勻微觀結(jié)構(gòu)分布的層。他們還研究了該技術(shù)的最佳工藝參數(shù)和下焊現(xiàn)象。

強制收縮線電弧增材制造（CC-WAAM）

線材增材制造（WAAM）是由英國屢獲殊榮的克蘭菲爾德大學(xué)開創(chuàng)的金屬3D打印技術(shù)。 WAAM在生產(chǎn)大型零件時具有無與倫比的效率和成本優(yōu)勢，常用于航空航天和航海工業(yè)。它已廣泛應(yīng)用于飛機后架，原型壓力容器，飛機機身，空心螺旋槳葉片，起重機吊鉤和船舶螺旋槳的生產(chǎn)。
在3D打印過程中，隨著熱量累積的增加，WAAM的幾何精度和成形質(zhì)量下降。過多的熱量輸入也會引起殘余應(yīng)力和變形，從而留下較差的機械性能。為了解決WAAM面臨的挑戰(zhàn)，山東大學(xué)團(tuán)隊開發(fā)了一種名為強制收縮WAAM（CC-WAAM）的新技術(shù)。

使用金屬惰性氣體（MIG）焊接電源，CC-WAAM在狹窄的陶瓷噴嘴中的金屬線和鎢電極之間產(chǎn)生等離子弧。在電弧的加熱下，電線熔化并產(chǎn)生液滴。陶瓷噴嘴對電弧和金屬液滴具有強制抑制作用。利用弧形將液滴噴射出噴嘴，進(jìn)行3D打印。噴射電弧等離子體保證了熱液滴以及液體池的良好屏蔽和保溫。

從焊炬到基板的距離為熔融液滴轉(zhuǎn)移提供了足夠的冷卻空間。因此，熱輸入顯著降低。通過該方法生產(chǎn)的層顯示出均勻和精細(xì)的微結(jié)構(gòu)。通過調(diào)節(jié)焊炬的行進(jìn)速度，也可以有效地控制每層的幾何尺寸。


△CC-WAAM示意圖;在CC-WAAM中噴射的弧和液滴的圖像。圖片來自山東大學(xué)。

獲得正確的參數(shù)

該團(tuán)隊的下一個挑戰(zhàn)是開發(fā)系統(tǒng)控制參數(shù)，以確保電弧和液滴傳輸?shù)姆€(wěn)定性。電弧的穩(wěn)定性促進(jìn)了液滴的平衡轉(zhuǎn)移。同時，液滴的穩(wěn)定轉(zhuǎn)移使電弧保持穩(wěn)定。 CC-WAAM的受限空間不直接對電弧進(jìn)行視覺評估，并且火炬護(hù)罩內(nèi)的液滴不會形成。因此，研究人員利用高速攝影技術(shù)，通過耐高溫玻璃研究了不同條件下的焊接現(xiàn)象。

結(jié)果表明，電弧行為和液滴轉(zhuǎn)移隨電參數(shù)而變化。在低電平電參數(shù)（80 A / 14.9 V  -  200 A / 18.3 V）下，電弧和液滴非常不穩(wěn)定。增加了大液滴直徑（1.8  -  5.3mm）的特點，液滴傳輸頻率低（2  -  23Hz），產(chǎn)生大量復(fù)雜的電弧現(xiàn)象。相比之下，高水平電氣參數(shù)（200 A / 18.3 V  -  300 A / 18.3 V）可實現(xiàn)0.8 mm的小液滴和300 Hz的高傳輸頻率?；⌒魏鸵旱无D(zhuǎn)移變得非常穩(wěn)定，證明了更高級別的電氣參數(shù)更適合CC-WAAM。

然后，他們進(jìn)行實驗以研究保護(hù)氣流對電弧行為和液滴轉(zhuǎn)移的影響。在低水平電參數(shù)下，氣流在電弧上施加機械力并使電弧分散。在高水平電氣參數(shù)下，氣體電離，促進(jìn)電弧穩(wěn)定性。

該團(tuán)隊得出結(jié)論，CC-WAAM最合適的參數(shù)是300 A / 18.3 V，氣流量為5 L / min。利用這些最佳參數(shù)，實現(xiàn)了短而穩(wěn)定的電弧和高頻液滴傳遞。

對液滴進(jìn)行初步力分析，研究人員找到了這種液滴轉(zhuǎn)移現(xiàn)象的解釋。液滴FG上的重力和電磁pincheffect FE引起的力促進(jìn)了液滴的垂直傳遞。與液滴軌跡的偏差是由液滴FC上的電弧力和液滴FM上的閉環(huán)電流產(chǎn)生的力引起的。未來的工作仍然是實現(xiàn)液滴的垂直軌跡。


力分析。圖片來自山東大學(xué)。

“在強制收縮的WAAM期間研究密閉空間中熔滴和電弧等離子體的產(chǎn)生過程”發(fā)表在Journal of Materials Processing Technology上。它由Meng Guo，Chuanbao Jia，Jihui Zhou，Wenqiang Liu，Chuanongong Wu共同撰寫。


南極熊發(fā)現(xiàn)，山東大學(xué)網(wǎng)站上有個報道，2018年06月，在山東大學(xué)“聘請短期境外專家項目”資助下，英國克蘭菲爾德大學(xué)焊接工程與激光加工中心主任Stewart Williams教授應(yīng)邀來山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院開展講學(xué)和學(xué)術(shù)交流。

Williams教授參觀了材料學(xué)院焊接實驗室，詳細(xì)了解了材料學(xué)院焊接研究所在等離子弧焊接、電弧增材制造、高效焊接以及攪拌摩擦焊接等方面的最新研究成果。然后，他與相關(guān)課題組師生就焊絲-電弧增材制造技術(shù)（Wire-Arc Additive Manufacturing，WAAM）進(jìn)行了深入交流，并以“Large scale additive manufacture of engineering metallic structures”為題，為材料學(xué)院研究生和部分教師作了學(xué)術(shù)講座。Williams教授在報告中詳細(xì)介紹了其課題組在“焊絲+電弧”增材制造技術(shù)（WAAM）方面的最新研究成果。目前，增材制造有多種技術(shù)方法，但對于實際大型工程結(jié)構(gòu)件（米級尺度）的制造來說，“焊絲+電弧”增材制造技術(shù)（WAAM）效率高、成本低，在航空航天、國防、能源和建筑等行業(yè)中有巨大應(yīng)用前景。Williams教授團(tuán)隊采用WAAM技術(shù)制造出了目前世界上最大的增材制造結(jié)構(gòu)件。他展示了已經(jīng)制造出的某些典型結(jié)構(gòu)件圖片，并且介紹了下一步的研究和開發(fā)計劃。學(xué)術(shù)報告以后，Williams教授與焊接數(shù)值模擬方向的博士生進(jìn)行座談交流，研討了數(shù)值模擬在焊絲-電弧增材制造領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力和發(fā)展前景。通過此次講學(xué)和學(xué)術(shù)交流活動，相關(guān)課題組師生掌握了大尺寸結(jié)構(gòu)件增材制造技術(shù)的最新國際進(jìn)展，對目前WAAM增材制造的關(guān)鍵技術(shù)問題有了深刻的認(rèn)識，對相關(guān)方向的研究課題具有很大的指導(dǎo)意義。

Stewart Williams教授，“焊絲+電弧”增材制造（WAAM）領(lǐng)域的國際權(quán)威專家，英國克蘭菲爾德大學(xué)（Cranfield University）焊接工程和激光加工中心主任、焊接科學(xué)與工程系主任。他主要致力于工業(yè)應(yīng)用級別的大尺寸構(gòu)件WAAM增材制造技術(shù)研發(fā)，相關(guān)產(chǎn)品已成功應(yīng)用于包括空客、英國宇航系統(tǒng)公司、龐巴迪、歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)、通用、洛克希德馬丁等在內(nèi)的著名航空、航天制造企業(yè)。