等离子制造技术与增材制造装备.docx

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等离子制造技术与增材制造装备

等离子表面合金化制造技术与增材制造装备

马球

摘要：

等离子体制造技术是指利用等离子体作为热源，对零部件进行焊接、切割、增材制造等制造技术的总称。

和传统减材制造技术相比，增材制造技术是指通过增加材料的方式而完成零部件的加工制造。

本文从等离子体制造技术出发，先介绍了等离子体制造技术和增材制造装备的发展现状，然后介绍了增材制造存在的问题及解决措施，最后指出了增材制造的发展趋势。

关键词：

等离子体，堆焊制造，增材制造

PlasmaManufacturingTechnologyand

AdditiveManufacturingEquipments

Maqiu

Abstract:

Plasmamanufacturingtechnologyisthemanufacturingtechnologybyusingplasmajetasheatsourcetothewelding,cuttingandadditivemanufacturingandsoon.Comparedwiththeconventionalmanufacturingtechnology,theadditivemanufacturingtechnologyaccomplishesthemanufactureofthecomponentsbyaddingmaterials.Thispaperstartsfromtheplasmamanufacturingtechnology,introducesthedevelopmentstatusoftheplasmamanufacturingtechnologyandadditivemanufacturingtechnologyfirstly,thenintroducestheproblemsoftheadditivemanufacturingtechnologyexistedandthecountermeasures,pointsoutitsdevelopmenttrendslastly.

Keywords:

Plasma,manufacturingtechnology,additivemanufacturing

引言

等离子体是指由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。

通常根据其宏观温度的高低将等离子体分为热等离子体和冷等离子体。

热等离子体主要是指其宏观温度可达几万度甚至更高，其重粒子温度与电子温度接近的平衡态等离子体，常被应用于焊接、切割、增材制造等制造领域。

电弧热等离子体是最常用的热等离子体形式，是指通过在一个用于产生等离子体的装置（被称为等离子体发生器）的阴阳极施加直流电源，在高能量的作用下将进入等离子体发生器的工作气体电离成为电子、粒子、离子等组成的高温混合气体，其最高温度可达30000K以上。

由于热等离子体具有能量密度高（最高可接近激光）、温度高（基本可以熔化已知的所有材料）、热转换效率高（可达70%以上）、热源设备成本及维修成本低等突出优点，通过近一百年的发展，已经被广泛的应用于切割、焊接等传统制造加工中，并取得了相当的研究进展。

而在近几年的发展中，已经有部分科研工作者利用等离子体技术开发出了等离子体增材制造设备。

因此，笔者通过查阅国内外文献，对等离子体制造技术和增材制造装备进行了总结性研究。

本文首先介绍了等离子体制造技术的发展历程及现状；然后介绍了增材制造装备的发展历程及现状；接着介绍了增材制造技术存在的问题并提出了相应的解决方案；最后笔者提出了自己的见解，指出了增材制造技术的发展趋势。

等离子体制造技术

19世纪30年代英国的M.法拉第以及其后的J.J.汤姆孙、J.S.E.汤森德等人相继研究气体放电现象，这实际上是等离子体实验研究的起步时期。

1879年英国的W.克鲁克斯采用“物质第四态”这个名词来描述气体放电管中的电离气体。

1928年美国的I.朗缪尔首先引入等离子体这个名词，等离子体物理学才正式问世。

从此开启了等离子体技术研究的新纪元，等离子体技术得到了快速发展。

随着等离子体技术的不断发展，其被广泛的应用于各个领域，如加工制造[9-11]、纳米材料制备[12,13]、垃圾处理[14-17]等众多领域。

等离子体制造属于等离子体技术的诸多早期应用之一，是指利用经机械压缩、自磁压缩、热压缩后形成的等离子体的高温、高能量密度等特性，对零部件进行加工制造，如焊接、切割、增材制造等。

1954年，美国UnionCarbide公司的RobertGage发现，经过压缩的电弧能量更加集中，电弧温度和射流速度大幅度提高，这种具有高温长弧柱特性的拘束态电弧很快被用于切割有色金属，随后进一步的实验研究证实这种压缩电弧也可用于焊接，从此开启了等离子体制造技术的新纪元。

等离子体制造技术的出现极大的促进了制造业的发展，解决了许多困扰业界的难点。

等离子体焊接制造技术

等离子体焊接制造[18-21]是指利用等离子体技术，通过焊接的方法加工制造成形零部件，如压力容器的焊接成形、发动机缸体的焊接成形等，其原理如图1所示。

当前主流的等离子体焊接技术主要可以分为穿孔性等离子体焊接、等离子体-MIG复合焊接和激光-等离子体符合焊接。

图1等离子体焊接原理图

1）穿孔性等离子体焊接。

穿孔型等离子弧焊接又称为穿透等离子弧焊接、小孔焊接。

利用等离子弧熔透工件，并在等离子流力作用下，形成穿透工件的小孔，熔池围绕小孔分布。

随着等离子弧的不断移动，新的熔融金属在小孔前端不断形成，并沿熔池壁向后流动，而小孔也随电弧移动，因此这些金属便填充小孔原先的位置，冷凝后便形成焊缝，焊缝断面呈“倒喇叭”状。

该方法可实现单面焊双面成形，常用于厚板的打底焊。

由于穿孔等离子弧焊接的工艺参数可调“窗口”小，因此工艺研究较少，国内外研究者的主要精力集中在对等离子弧、熔池的热场或流场和小孔成型过程的数值模拟与分析。

国外在数值模拟上起步较早，如加州大学伯克利分校的Y.F.Hsu等人在1988年便通过对穿孔等离子弧焊接的传热与流体流动进行了数值计算，并建立起二维准稳态有限元数值模型；1993年，R．G．Keanini等人针对穿孔等离子弧焊接的热场和流场，首次提出三维准稳态有限元模型；1999年，H.G.Fan等人建立了等离子弧焊接的热传导和流体流动二维瞬态模型。

而在国内，2002年，哈尔滨工业大学的吴林、董红刚等人针对固定穿孔等离子弧焊接率先建立了等离子弧二维稳态热传导模型，对熔池的电流密度和温度分布模拟，并通过迭代法，计算出焊缝溶深和熔宽，其结果与实验结论一致。

2006年，山东大学武传松等人在分析了等离子弧对熔池的“挖掘”作用和厚度方向等离子弧热流分布后，提出三维瞬态小孔等离子弧焊接热场的有限元模型，模拟的熔池形状和演变规律与实验结果接近，在接近稳态时的端面形状和达到稳态时间也与实测结果一致。

2）等离子体-MIG复合焊接

等离子-MIG复合焊接是将等离子气体保护钨极电弧焊和气体保护熔化极电弧焊结合起来的一种复合热源焊接工艺。

与传统MIG焊接工艺相比，其最大优势在于：

焊接速度提高两倍；热输入少、HAZ窄、焊接变形与飞溅小；等离子的小孔效应明显，熔深增加。

在国外，1972年，荷兰PHILIPS公司研究中心的W.G.Essers和A.C.Liefkens等人首次提出了Plasma—MIG焊接方法，并在20世纪80年代开发出设备，且在德国工厂中得到应用。

1995年由乌克兰巴顿焊接研究所的工程人员在以色列组建了PlasmaLaserTechnologies（PLT公司），开发出商品化的Super—MIGD等离子旁轴复合热源焊接系列产品。

在Plasma-MIG焊接工艺方面，日本的T．Ogawa等人通过确定合理的工艺参数提高了铜-铁异种接头性能；1992年，德国R．Draugelates等人成功将Plasma—MIG焊用于铝合金水下焊接[31]；还有诸如巴西等国的诸多科研工作者也在此方面做了较多的研究。

而在国内，哈尔滨工业大学的吴林等人建立了双电源同轴复合焊接系统，实现了对铝合金的焊接。

沈阳工业大学的李德元等人通过设计等离子-MIG同轴复合的枪体和PLC主控单元，成功地将等离子电源和MIG电源结合，并对枪体流场和温度场模拟、熔池形状和温度场形态模拟、起弧过程、熔滴过渡、组织成分进行了深入研究。

哈尔滨焊接研究所的周大中、孙军等人提出了单电源Plasma—MIG焊接方法，研究了一种使用一个陡降特性的焊接电源同时为两个电弧供电的单电源Plasma—MIG焊方法，并研究了该方法的电流分配与调节特性、电压与电位关系、熔滴过渡与电弧形态等电弧特性，其实验结果表明，这种法简单易行，有利于实际生产应用。

3）激光-等离子体复合焊接

激光-等离子体复合焊接是指利用同样具有高能量密度的激光和等离子体复合，组成一个优势互补的焊接系统，达到特殊应用场合的焊接需要。

在国外，英国Conventry大学从1992年至今一直使用400W的CO2激光器与50A的等离子体复合，焊接0.6～0.8mm厚的不锈钢、钛和铝合金等材料，结果表明，与单独激光焊相比，复合焊接速度提高了1～1.5倍，且能够熔透高反射的铝合金材料[37]；乌克兰KrivtsunIgor模拟了激光-等离子复合焊接熔滴过渡过程、焊接熔池动力学、熔池温度分布、熔池形貌和穿孔过程，其结果与实际相符[38]。

在国内，北京航空制造工程研究院的陈俐研究了YAG激光-等离子复合焊接时的热源光谱特征[39]。

清华大学的都东、李志宁等人对激光-等离子复合焊接的传热和流动特性进行了研究[40]。

等离子体增材制造技术

等离子体增材制造技术是指利用等离子体的高温、高能量密度特性，将金属或非金属材料熔化，通过一层一层的叠加材料而形成零件的制造技术。

与传统的减材制造技术相比，它具有以下突出优点：

容易实现三维数字化制造，尤其适合难加工材料、复杂结构零件的研制生产；原材料利用率高，符合绿色制造理念；增材制造后的性能及质量优越，有时可以实现结构减重；无需借助刀具和模具就可以直接制造出产品，响应速度快。

由于等离子体增材制造技术发展较晚，国内外几乎同时开始研究，因此差距不大。

同时，由于等离子体增材制造技术还处于发展初期，仅有如向永华、徐滨士等少数科研工作者对此作了研究。

增材制造装备

增材制造（AdditiveManufacturing，AM）技术（俗称合金3D打印），是近年来迅速发展起来的高端数字化制造技术。

它是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除－切削加工技术，是一种“自下而上”的制造方法，其工作示意图如图3所示。

图3增材制造示意图

增材制造装备就是增材制造技术发展的载体，是增材制造技术的硬件支撑，是在利用增材制造技术进行零部件的制造过程中所使用的设备的总称。

因此，增材制造装备的产生必然伴随着新的增材制造技术的发展，而新的增材制造技术又促进人们探索新的增材制造装备，二者相互依存。

下面将结合增材制造技术的发展对增材制造装备的发展进行概略性介绍。

增材制造技术是20世纪80年代后期发展起来的一项新兴前沿技术，被认为是制造技术领域的一次重大突破。

增材制造技术在发展初期主要应用于模具加工，以及用于组装和功能测试的样件加工等。

近十年来，由于不断取得突破，增材制造技术逐渐被应用于实际产品的加工。

金属零部件最终产品的增材制造技术发展尤其迅速，在结构复杂、材料昂贵的产品生产，以及小批量定制生产方面，成本、效率和质量优势突出。

因此，增材制造技术在国防领域得到了各国政府的高度重视，并通过政府资助、企业R＆D资金等方式投入了大量的研发经费。

2006年，美国国防部下一代制造技术计划（NGMTl）重点投资增材制造技术，波音、洛马、通用动力、雷神等军工企业参与研究，大力推动钛合金等高价值材料零部件增材制造技术的发展和应用。

2010年，欧盟第六个框架计划开展了”大型航空航天组件快速生产”（Aapolac）项目，旨在提高金属沉积成形工艺的可行性，重点关注钛以及镍和钢的沉积技术。

2012年，美国国防高级研究计划局（DARPA）的资助成立了“创新金属加工．直接数字化沉积（CIMP．3D）”研究中心，旨在研发先进的增材制造技术，支持DARPA开放制造计划，并作为制造演示工厂，推进和部署增材制造技术在美国国防领域关键金属系统研制生产中的应用。

英国政府自2011年开始持续增大对增材制造技术的研发经费。

英国工程与物理科学研究委员会中设有增材制造研究中心，参与机构包括拉夫堡大学、伯明翰大学、英国国家物理实验室、波音公司以及德国EOS公司等15家知名大学、研究机构及企业。

除了英美外，其它一些发达国家也积极采取措施，以推动增材制造技术的发展。

德国建立了直接制造研究中心，主要研究和推动增材制造技术在航空航天领域中结构轻量化方面的应用；法国增材制造协会致力于增材制造技术标准的研究；在政府资助下，西班牙启动了一项发展增材制造的专项，研究内容包括增材制造共性技术、材料、技术交流及商业模式等四方面内容；澳大利亚政府于2012年2月宣布支持一项航空航天领域革命性的项目“微型发动机增材制造技术”，该项目使用增材制造技术制造航空航天领域微型发动机零部件，有力促进该技术在航空航天等领域的应用。

因此，增材制造技术以其独特的优势得到了全球范围内广泛关注，不仅得到了英美等发达国家的高度重视，投入巨资进行研究，而且欧洲的EADS、罗尔-罗伊斯等为代表的大型航空航天军工企业，也采用“产、学、研”的方式进行增材制造技术的研究应用工作。

正是在各国政府的高度重视和科研工作者的不懈努力下，增材制造技术已经取得了突破性的进展。

当然，增材制造装备随着增材制造技术的发展也取得了长足的发展。

现有增材制造技术根据其使用的增材制造装备所使用的热源的不同，主要有激光增材制造技术，电子束增材制造技术和等离子体增材制造技术。

等离子体增材制造技术

等离子体增材制造技术是指利用等离子体作为加热热源而开发的增材制造装备而通过增加材料的方法而成形零部件的制造方法。

由于等离子体增材制造技术相比于激光增材制造技术和电子束增材制造技术发展较晚，国内外研究工作相对较少，但由于等离子体热源的突出优势，已经得到了广大科研工作者的关注，并已经取得了一定的科研成果。

等离子体增材制造技术通常可分为等离子体熔积成形增材制造技术和等离子体选区熔化增材制造技术。

1）等离子体熔积成形增材制造技术。

等离子熔积成形增材制造技术是基于快速成形层积原理，采用焊接方法中高度压缩、集束性好的等离子束熔化同步供给的金属粉末，在基板上逐层堆积形成金属原型或零件的技术，其实质是计算机控制下的三维等离子粉末堆焊成形，其原理示意图如图8所示。

图8等离子体熔积成形增材制造原理图

华中科技大学张海鸥等人早在2002年就开始了对等离子体熔积成形增材制造技术的研究。

该课题组自主研发了等离子体熔积成形增材制造设备，并基于该设备进行了等离子体熔积成形增材制造工艺研究，确定了转弧电流、熔积速度和送粉量之间的相互关系。

大连理工大学徐文骥等人也在同年研究了等离子体熔积成形增材制造在模具中的应用。

等离子体熔积成形增材制造技术主要有以下特点：

（1）设备成本低，运行维护简单；

（2）对工作环境要求较低，可适应于一般的工厂环境；

（3）易于实现自动化。

2）等离子体选区熔化增材制造技术。

等离子体选区熔化增材制造技术加工原理与激光选区熔化增材制造技术和电子束选区熔化增材制造技术加工原理基本相似：

首先由三维实体造型软件（CAD）设计出零件的三维数字化模型；然后将零件的CAD三维模型沿z向离散成系列二维层面，即对数字模型进行切片分层（Slicing），获得分层文件，得到各层截面的切片二维轮廓，并对二维轮廓进行填充，进行路径规划；接着将分层数据传输给成形机，利用等离子弧熔化合金粉末，焊枪和送粉系统根据单层的成形数据和材料需要，在计算机系统控制、步进电机驱动x、y、z轴三维运动下，对成形路径精确定位，按当前层层面几何形状进行扫描熔覆。

每完成一层熔覆后，焊枪上升一个位距，如此逐层熔覆最终实现金属零件的直接精密成形。

装甲兵工程学院装备再制造技术重点实验室向永华、徐滨士等人在2010年提出了基于微束等离子熔覆工艺的直接金属成形方法，设计并开发基于等离子熔覆的金属零件直接制造软、硬件系统，并采用该系统进行中空零件成形实验。

实验结果表明，并采用微束等离子熔覆直接制造系统可以得到成形良好、组织细密的金属零件。

南京航空航天大学张禹等人在2013年基于机器人堆焊增材制造进行研究，探索解决弧坑塌陷的工艺措施，并提出一整套制备表面光洁零件的堆焊成形工艺，最终制得了低碳钢与铝合金堆焊成形制品。

结果表明：

通过降低热输入量，在机器人指令中加入填弧坑动作以及使焊接路径适当重叠可以很好的解决弧坑塌陷问题；堆焊成形的零件可以用电解加工的方法作为后处理工艺，得到表面光洁的零件。

等离子体选区熔化增材制造技术具有和等离子体熔积成形增材制造技术相同的优点，在此不再赘述。

综上所述，增材制造技术是有别于传统减材制造技术的一种新型制造技术，它的出现解决了许多传统制造技术难点，尤其是在复杂零件的加工制造方面。

而增材制造装备是增材制造技术发展的载体，是支撑其发展的硬件措施。

增材制造存在的问题及解决措施

增材制造技术虽然得到了全球的高度重视，并取得了一定的科研唱过，但仍然是处于成长过程的技术，还不够成熟，目前主要用于个性化的单件生产。

增材制造技术仍然存在以下问题：

1）增材制造技术与塑料注射机等成熟的大批量成形技术相比，生产成本过高。

与传统切削加工技术相比，产品的尺寸精度和表面质量相距较大。

增材制造技术目前只能算一丝曙光，真正达到大规模应用产生效益，还需要很长的时间发展和积累。

2）目前的金属增材制造技术都不能直接形成符合要求的零件表面，它都必须经过表面的机械加工，去除表面多余的、不连续的和不光滑的金属，才能作为最终使用的零件。

3）材料的可选择范围可能是最大的障碍，目前可以用于增材制造技术的材料不超过100种，而在工业中应用的材料可能已经超过10000种，且增材制造技术材料的物理性能尚有待于提高。

4）增材制造技术直接成形的金属零件在制作过程中因为反复经受局部接近熔点温度受热，内部热应力状态复杂，成形体中容易夹杂空穴，未完全熔融的粉末和胚体缺陷等，应力处理和控制还不能满足要求，严重影响了成形件的强度。

5）三维设计技术的普及关系到增材制造技术能否进入家庭。

市场正在呼唤孩子们能够操作和喜爱的软件，打印物品要成为新一代计算机游戏，引起孩子的兴趣，发挥儿童的创造性，才能有无限光明的未来。

为了解决上述问题，现有增材制造技术必须从以下几方面加以改善：

1）研究新型增材制造装备。

重点开发低成本的增材制造装备，降低增材制造成本。

同时，提高新型增材制造装备的加工精度，使得采用增材制造技术制造的零部件在不经其它加工工序的情况下能达到使用要求。

2）加快增材制造用材料的研究。

由于当前适用于增材制造用的材料种类有限，极大的限制了增材制造技术的发展，因此必须加快增材制造用材料的研究，寻找新的适合增材制造的材料。

3）加工增材制造过程的工艺及仿真研究。

重点研究增材制造工艺过程，并利用计算机仿真技术模拟增材制造过程，分析零部件制造过程中的热、力等影响零部件成形质量的因素，提高增材制造零部件性能。

增材制造发展趋势

在各国政府的高度重视和科研工作者的不懈努力下，增材制造技术主要朝着以下方向发展：

1.向近无缺陷、高精度、新材料成形方向发展。

由于现有增材制造技术还存在着各种缺陷，如制造精度较低、材料种类受限等，这必将促使科研工作者加大该方面的研究，制造出向近无缺陷、高精度的多材料零部件。

2.向多领域应用发展。

增材制造技术当前主要集中于航空领域，应用领域较小。

而增材制造技术优势突出，比较向其他领域延伸。

如今，增材制造技术已经延伸到了生物医药领域，用于打印人造骨骼等。

3.向多种热源复合增材制造方向发展。

当前主要的增材制造设备基本都是基于某一单一热源研制而成，而每一种单一热源都存在其局限性。

利用多种热源复合，可形成优势互补，形成更为完善的增材制造装备，促进增材制造技术的进一步发展。

4.增材制造装备将会进一步商业化。

从国外的发展情况来看，对于每一项增材制造技术，都有一家或数家成熟的商业装备制造商，形成了系列化的增材制造装备。

同时，国外的装备制造商除了硬件装备制造外，还进行了大量典型材料成形工艺与材料性能的研究，掌握典型材料成形工艺核心技术，形成较为完备的工艺参数数据库。

面对应用需求的日益扩大，增材制造装备研制将会进一步商业化。

实物案例图及等离子增材（减材）复合加工系统

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