铁基WC热填丝等离子弧增材制造技术

张良昊¹

（ 1.南京理工大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 ）

摘 要：随着现代工业技术的发展，增材制造技术凭借其成本低、效率高的优点得到了广泛的应用，但其增材构件的质量和增材速率难以兼顾。而等离子弧焊（PAW）作为一种能量密度高、制造精度高的增材制造方法，在大尺度和异质构件增材方面具有很多优势。热填丝技术则在不增加热输入的情况下提高制造效率，改善成形形貌。将两者集合的热填丝等离子弧增材制造技术，兼具两者优点，通过合理控制焊接工艺参数，可实现热输入集中、高效率、良好成形形貌的增材构件，采用该技术可生产出成型良好的铁基碳化钨增材构件。

关键词：热丝；等离子弧焊接；铁基WC；增材

0 序 言

电弧增材制造（WAAM）技术是一种利用逐层熔覆原理，采用熔化极惰性气体保护焊接（MIG）、钨极惰性气体保护焊接（TIG）以及等离子焊接电源（PA）等焊机产生的电弧为热源，通过丝材的添加，在程序的控制下，根据三维数字模型由线-面-体逐渐成形出金属零件的先进数字化制造技术^[1]。因为其相对传统的减材制造，具有成本低、灵活性高、周期短、材料利用率高等特点^[2]，在航空航天、海洋船舶、交通运输等领域广泛应用^[3]。目前WAAM在成形控制的研究上已经取得较大进展，但仍存在成型过程稳定性差、控形柔性差、成形精度低、评价指标体系不完善等不足^[4]。

热填丝等离子增材制造技术兼具热填丝可控热输入、效率高和等离子弧焊接能量密度大、制造精度高的优点，在大型构件和复杂异质构件的增材等方面较其他增材方法有一定的优势^[5]。以往的研究证明，通过合理地控制增材过程的工艺参数，采用热填丝等离子增材制造技术可以有效地控制成型样貌，提高增材效率。如余淑荣^[6]等针对旁路耦合微束等离子弧焊电弧增材制造工艺，在不同焊接速度、不同旁路电流和不同堆垛顺序下进行试验，得出精确控制旁路电流、合理规划堆垛路径可较好地控制焊接热过程进而改善成型质量的结论。

而与传统的金属丝材相比，铁基WC丝材兼有金属的强韧性和WC的高硬度、高耐磨性的特点，在海洋石油开采、先进武器制造等领域广泛应用^[7]。本文通过列举近年来国内外关于热填丝技术和等离子弧焊技术研究内容，说明热填丝电弧增材制造技术的优势，探究铁基碳化钨热填丝等离子弧增材制造技术。

1 热填丝技术研究现状

• 1. 电弧增材制造系统

Valdemar R.Duarte^[8]等提出一种热锻丝电弧增材制造方法(HF-WAAM)，可用于改善沉积材料的微观结构和力学性能。并设计了专用的WAAM焊枪，采用电力、保护气、送丝等多反馈独立控制，如图1所示。