铝合金电弧增材制造技术的研究现状及发展综述

文章基本信息

本文题为《铝合金电弧增材制造技术的研究现状及发展》，作者为骆凡尘、张存祥、王瑞权，分属浙江机电职业技术大学、浙江建瓴机械科技有限公司及兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室。该文章发表于《金属加工（热加工）》并于2025年1月24日网络首发。本文综述了铝合金电弧增材制造技术（Wire Arc Additive Manufacturing, 简称WAAM）的研究现状、技术挑战以及未来发展趋势。

铝合金增材制造的学术背景和研究意义

铝合金与增材制造的工业需求
铝合金因其低密度、高比强度、耐腐蚀性及良好的加工性能，被广泛应用于航空航天、汽车、电子等领域。然而，传统铝合金制造工艺（如铸造、锻造、切削加工等）存在材料浪费、生产周期长和成本高等问题，尤其难以满足对高强度、高复杂度和高精度零部件的加工需求。因此，增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术作为一种通过逐层添加材料的工艺，近年来在现代制造业中展现出重要地位，成为解决上述问题的一种有效途径。

WAAM的技术优势与挑战
铝合金的增材制造方式主要包括粉末床熔融（Powder Bed Fusion, PBF）和电弧增材制造（WAAM）两类。其中，PBF技术因铝合金高热导率、低激光吸收率和粉末材料制作成本高的限制，其应用范围受到较大限制。而WAAM技术结合了传统电弧焊接与增材制造的优势，具备设备简单、成本低、材料利用率高、适用性强等特点，特别适用于铝合金等轻质金属结构件的高效制造。

因此，本文通过梳理WAAM技术的现状与发展趋势，探讨铝合金增材制造面临的技术难题及未来方向，为行业发展提供理论和实践支持。

铝合金电弧增材制造的技术现状

主要工艺类型
WAAM技术主要可分为钨极气体保护焊（Gas Tungsten Arc Welding, GTAW）、熔化极气体保护焊（Gas Metal Arc Welding, GMAW）、等离子弧焊（Plasma Arc Welding, PAW）及冷金属过渡焊（Cold Metal Transfer Welding, CMT）四种。各工艺特点如下： 1. GTAW：采用不消耗电极，需单独送丝，特点为旁轴送丝，沉积速率较低（1~2kg/h）。 2. GMAW：采用消耗电极，沉积速率较高（3~4kg/h），但电弧稳定性较差。 3. PAW：采用不消耗电极，沉积速率达2~4kg/h。 4. CMT：消耗电极，具有低热输入、无飞溅的特点，沉积速率为2~3kg/h。

这些工艺需配合焊接机器人、电弧焊接电源、熔池监测系统、气体保护装置等设备，同时对动态控制能力及工艺参数稳定性要求较高。

工程应用现状
WAAM技术已广泛应用于航空航天和汽车制造领域，特别是复杂几何结构件和轻质、高强度大尺寸零件的制造。例如： 1. 航空航天领域： - Harlow-Fastech公司使用WAAM技术制造铝合金叶轮轴，制造成本降低30%。 - 西安交通大学生产10m级高强铝合金运载火箭连接环，实现材料成本和生产周期的大幅下降。 - Relativity Space公司利用WAAM技术打印了直径3.4m、高7.6m的火箭结构，应用于3D打印火箭Terran 1。 2. 汽车与船舶制造领域： - 英格尼玛公司用ER5356铝合金焊丝制造汽车底盘，实现尺寸精度与质量的结合。 - 川崎重工安装使用WAAM制造的镍铝青铜合金螺旋桨叶片，其强度提升40%，周期缩短至6周。 - 美军潜艇采用由AML3D公司打印的非安全关键组件。

这些实例证明WAAM在工业生产中的高价值和高潜力。

存在的缺陷与解决方法

1. 残余应力与变形
   在熔化与冷却过程中的热梯度会导致部件产生较大的残余应力和形变，例如高强度铝合金的层间残余应力更为显著。解决方法包括：

   • 控制层间温度降低热应力。
   • 使用多级热输入优化残余应力分布。

2. 断裂与分层
   铝合金WAAM制件由于新层沉积时的不完全熔化和热裂纹问题，会发生分层和断裂。解决方法包括：

   • 添加纳米材料，如向2024铝合金中添加TiC颗粒以细化晶粒。
   • 在工艺中进行本征热处理以减少裂纹生成。

3. 表面质量与孔隙率
   WAAM过程中，高温熔池容易引起零件表面不平整和内部孔隙。改进手段包括：

   • 提高送丝光洁度、去除污染物。
   • 每层沉积后采用层间冷加工或震动处理。
   • 引入层间轧制工艺显著减少孔隙率。

未来发展趋势

1. 智能化与自动化发展
   随着人工智能和传感技术的进步，机器人技术和数据驱动系统将显著提升WAAM工艺的效率和稳定性。例如：

   • 应用机器学习与大数据分析，为零件设计最佳工艺参数与焊接路径。
   • 利用机器视觉实时检测熔池温度和沉积稳定性，以实现工艺优化。

2. 优化材料与多材料协同制造
   面向性能更优的需求，未来研究将致力于开发高强度、高韧性的新型铝合金丝材。例如：

   • 针对航空航天领域的6XXX与7XXX系列铝合金进行研究。
   • 进行多材料协同制造，通过结合不同合金或陶瓷材料提升零件综合性能。

3. 与传统工艺结合
   WAAM技术无法完全满足所有高端领域的加工精度需求，将其与CNC加工、铸造等传统工艺联合使用将为关键件制造提供新方案。例如：

   • 通过WAAM快速成形基本结构，再借助CNC设备完成后续加工。
   • 降低生产成本，缩短制造周期，提高零件质量。

研究意义与应用价值

本文从多维度论述了WAAM技术在铝合金增材制造领域的显著优势及现实挑战。通过对当前技术瓶颈的深入剖析及未来可能的发展趋势预测，其为高端制造业提供了重要的理论支持及实际参考。WAAM技术将在绿色制造、智能制造领域发挥更为重要的作用，推动航空航天、汽车、船舶等行业迈向新的技术高度。