电弧快速成形工艺的研究现状

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电弧快速成形工艺的研究现状
天津大学(300072) 　　刘望兰　胡绳荪　尹玉环
摘要　介绍了一种新型的快速成形方法———利用焊接电弧进行成形。通过分析比较阐述了电弧成形与其他
金属成形方法相比所具有的优势。回顾了迄今为止,基于电弧成形的国内外发展现状。分别选取基于非熔化极气
体保护焊、熔化极气体保护焊以及等离子弧焊的快速成形工艺进行阐述,从成形产品性能、表面状态、成形精度方
面加以分析,着重阐述了工艺参数对成形效果的影响。指出了现阶段成形工艺所存在的问题。最后对电弧成形的
研究方向进行了预测。
关键词: 　快速成形　电弧焊工艺　研究现状
RESEARCH PRESENT STATUS OF RAPID SHAPING TECHNOLOGY
OF ARC WELD ING
Tianjin University　　L iuWanglan, Hu Shengsun, Y in Yuhuan
Abstract　A new type of rap id shap ing bymeans of arc welding was introduced. Compared with other rap id shap ing
methods, the advantage of the technology was p resented. The develop ing status of the technology was reviewed including
rap id shap ing technologies of gas tungsten arc welding, gas metal arc welding and p lasma arc welding. The quality of the
shap ing p roduct, surface state and shap ing p recision were analyzed aswell as the effects of technological parameters on sha2
p ing qualitywere stressed. The current p roblems of the shap ing technologywere mentioned and the research direction of arc
shap ing was forecasted.
Key words: 　rap id shap ing, 　technology of arc weld ing, 　research presen t sta tus
0　前　　言
快速成形(Rap id Prototyp ing 简称RP)技术是20
世纪80年代中后期发展起来的一种观念全新的现代
制造技术。它应用“离散- 堆积”原理,用逐点或逐层
的成形方法制造物理模型、模具和零件。与传统方法
相比,快速成形具有以下特点:
(1)缩短产品设计周期,提高竞争力;
(2)降低产品开发成本;
(3)明显增加产品设计可修改周期,加快设计反馈
频率。
快速成形由于其具有巨大的发展潜力,被誉为制
造业的一场革命[ 1 ] 。
快速成形技术从问世以来,出现了十几种不同的
方法,目前,研究较多的金属直接成形方法有:光固化
成形( SLA) 、熔丝沉积成形( FDM) 、选择性激光烧结
( SLS) 、薄材叠层制作(LOM) 。然而,这些成形系统的
应用还多限于大型公司、研究机构和大学,一般的用户
还很少。这是由于迄今为止,多数成功实现商业化的
快速成形工艺所使用的成形材料是光敏树脂、塑料、纸
张、蜡和尼龙等非金属材料。这些专用材料不但价格
昂贵,而且性能与最终产品的要求相去甚远(特别是对
于金属产品) ,所以得到的原型只能用于产品零件的设
计评估和展示等。即使是目前的选择性激光烧结、激
光熔敷等新工艺,也存在所制造的零件致密度差、力学
和冶金性能不好、需要进行后续处理等缺点,限制了其
应用范围的进一步扩展[ 2 ] 。
鉴于此种情况,一种低成本、高质量的金属材料直
接快速成形工艺的研究成为了国内外的一个研究热
点。利用焊接电弧进行快速成形就是在此种背景下产
·12· 焊接　2006 (7)
生的。电弧焊设备简单、生产效率较高;同时,由于其
焊接过程中熔滴过渡、电流、电压和焊接速度等焊接参
量均可控,有望得到性能较好的成品。
1　国内外发展现状
迄今为止,国内学者对于电弧快速成形的研究比
较少,仍然处于起步阶段;国外则有部分学者分别对于
应用熔化极气体保护焊( GMAW ) 、非熔化极气体保护
焊(GTAW)及等离子弧焊( PAW)等方法进行快速成形
做了初步的研究。
1. 1　采用GTAW进行快速成形
非熔化极气体保护焊是利用非熔化的材料做电
极,外加气体作为保护介质的一种电弧焊方法。其优
点在于电弧和熔池可见性好,操作方便;没有熔渣或熔
渣很少,无需焊后清理等[ 3 ] 。
国外学者H. Wang和R. Kovacevic应用变极性非
熔化极气体保护焊对铝进行快速成形[ 4 ] 。随后, J. H.
Ouyang, H. Wang和R. Kovaceivic则采用变极性钨极
氩弧焊对5356铝合金进行快速成形,并对焊接过程控
制以及焊后铝合金的微观组织结构进行了研究[ 5 ] 。
HuijunWang, Wenhui J iang等人以4043铝合金为研究
对象,采用变极性钨极氩弧焊进行快速成形。探讨了
焊接电流、电弧长度、焊接速度、送丝速度对熔敷层金
属尺寸的影响。同时对焊后铝合金的宏观状态、微观
组织以及表面粗糙度进行了分析[ 6 ] 。
大量的试验结果表明,快速成形的效果,主要取决
于三方面的因素: 基体的预热; 电弧长度的监视与控
制;热输入的控制。其中,热输入的控制主要由电弧电
压(电弧长度) 、焊接电流、焊接速度和送丝速度决定。
焊后试件的熔敷层高度与焊接电流、焊接速度成反比,
与送丝速度成正比;熔敷层宽度与焊接电流成正比,与
焊接速度、填丝速度成反比。
焊接成形的形状主要由焊接热输入决定。试验表
明[ 6 ] ,第一层的焊接所需要的能量最大,以后各层逐层
递减,直至达到热平衡(材料吸热与向外界散热相等) ,
之后各层则以固定不便的热输入进行焊接。同时,在
对焊接热过程进行控制的条件下,将会得到良好的表
面成形;与无热输入控制相比,表面粗糙度值明显降
低,如图1 所示。另外,在对熔池形状的各影响参数
中,焊接电弧的长度起重要作用。
焊后合金的微观结构中,后期焊接的各层中晶粒
较为细小,而前期焊接的部分则呈现出晶粒粗大的组
织形态。成品的侧边缘处有等轴晶出现。试验表明,
焊后冷却速度对微观结构有很大的影响,快冷条件下
得到的晶粒较好。
采用非熔化极气体保护焊对金属或合金进行快速
成形,通过对焊接参数的调节可以得到较好的成形形
状及表面。但是,焊后晶体的微观组织不均匀,各处硬
度不等,并出现较大的差异,使其性能受到影响。而快
速成形工艺中一个很重要的问题———应力问题,在迄
今为止的研究中较少涉及。
图1　4043铝合金快速成形表面状态
1. 2　采用GMAW进行快速成形
熔化极气体保护焊是采用连续等速送进可熔化的
焊丝与被焊工件之间的电弧作为焊接热源来熔化焊丝
和母材,形成熔池和焊缝的焊接方法。其特点在于:具
有广泛的适用性;采用焊丝作为电极,可选用高密度电
流,生产效率高[ 3 ] 。
Yuming Zhang, Yiwei Chen, Pengjiu Li, Alan T.
Male对熔化极气体保护焊的快速成形进行了初步的研
究。建立了试件的数学模型,对试件的分层切片方法
进行了研究,并对成形精度进行了研究[ 7 ] 。研究表明,
采用熔化极气体保护焊可以对金属进行较好的成形,
成形的质量与焊接路径密切相关。利用电弧进行环状
成形时的结果如图2所示。其中图2a是常规焊接的结
果;图2b为采用特殊焊接路径(图3)条件下的结果。
可见,选取好的焊接路径是保证成形精度的重要因素。
利用控制焊接电流及焊接速度可以控制成形的形状。
焊

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keylu

焊接这东西 我还真是不太懂