双TIG活性电弧增材制造工艺学习体会

文献概况与研究背景

张佳等发表于《焊接学报》2024年第45卷第8期的这篇论文，提出了一种创新性的电弧-丝材增材制造方法——双TIG活性电弧增材制造。该研究由重庆理工大学与兰州理工大学联合完成，得到了国家自然科学基金等多项资助，体现了产学研协同的科研特色。在增材制造技术快速发展的今天，电弧增材制造（Arc-AM）因其熔敷效率高、设备成本低、对母材适应性强等优势，在大型结构件制造领域展现出巨大潜力。然而，传统单TIG电弧增材制造存在熔敷效率有限、熔池流动性控制不足等问题，制约了其在薄壁件快速成形中的应用。

核心工艺原理与技术路线

双TIG活性电弧增材制造的核心思路在于两个方面的创新：一是采用双TIG焊枪配置，二是向保护气体中加入少量活性气体氧气。双焊枪配置使得电弧能量可以分区控制——前置焊枪负责预热与熔池前部加热，后置焊枪负责主熔敷与后部冷却控制，这种空间分离的能量输入方式有效改善了熔池的流动状态和凝固行为。活性气体氧气的引入则通过降低熔池表面张力来增强金属的润湿铺展特性，这一机制与传统TIG焊中采用氩氦混合气或添加钍钨极的思路有所不同，属于一种全新的工艺调控手段。

从工艺窗口来看，该研究采用直径1.2 mm的SUS304奥氏体不锈钢焊丝进行薄壁件堆积试验，关键工艺参数包括沉积电流分配（前置与后置焊枪的电流比例）、电弧移动速度、送丝速度以及氧气比例。研究结果表明，在电流相当的条件下，双TIG活性电弧沉积效率达到2.7 kg/h，相比普通TIG电弧沉积有明显提升，这一效率水平已接近部分激光增材制造工艺的水平，对于大型结构件的快速成形具有重要工程意义。

工艺参数对熔敷层成形的影响规律

通过系统试验，作者揭示了各工艺参数对熔敷层平均宽度和高度的影响规律，这些规律对于实际工程中的工艺参数优化具有重要参考价值。

后置焊枪沉积电流对熔敷层成形的影响呈现非线性特征，这反映了双焊枪配置下熔池能量分布的复杂热力学行为。当后置焊枪电流较小时，熔池能量不足以充分熔化和铺展焊丝，熔敷层偏窄偏高；当后置焊枪电流过大时，熔池温度过高导致过度熔化和塌陷，熔敷层变宽但高度降低，且可能出现未熔合或烧穿等缺陷。电弧移动速度的增加直接导致单位长度熔敷量减少，因此宽度和高度均下降，这是符合能量密度基本规律的。送丝速度增加时，熔敷金属供给量增大，但由于电弧能量不变，多余金属以堆积方式存在，因此高度明显增加而宽度变化不大。

熔敷金属组织与力学性能分析

金相分析表明，氧气对墙体熔敷金属微观组织无明显影响，组织形态均为垂直于沉积方向的柱状树枝晶。这一发现具有重要的工艺指导意义——它表明活性气体氧的引入主要作用于熔池动力学行为（表面张力、润湿性），而非冶金相变过程。柱状树枝晶的形态特征与增材制造中逐层堆积的热循环特点一致，但由于双TIG电弧的热输入相对较低且熔池较小，柱状晶的发达程度可能低于单TIG或GMAW增材制造。

力学性能方面，沉积墙体的抗拉强度和断后伸长率随着氧气的引入略有下降。这一现象需要从冶金角度进行理解：氧气的引入虽然改善了熔池流动性，但可能导致熔敷金属中氧含量增加，形成氧化物夹杂，从而对力学性能产生不利影响。在实际工程应用中，需要在熔敷效率与力学性能之间寻求最佳平衡点，氧气的添加量不宜过大。

工程实践启示与技术展望

从工程应用角度看，双TIG活性电弧增材制造技术特别适用于不锈钢薄壁结构件的快速成形，如换热器管板、船舶结构件、压力容器内构件等。2.7 kg/h的熔敷效率意味着在同等时间内可以完成更多的沉积量，显著缩短制造周期。然而，该技术要走向产业化应用，仍需在以下方面进行深入研究和优化：一是活性气体氧的精确控制与监测技术，需要开发在线氧含量检测与闭环控制系统；二是多焊枪协同运动控制算法的优化，实现熔池形态的实时监测与自适应调整；三是长期服役条件下的力学性能与疲劳性能评估，特别是对于承受交变载荷的不锈钢结构件。

该研究为电弧增材制造领域提供了一种全新的技术思路，将双焊枪配置与活性气体引入相结合，有效突破了传统电弧增材制造的效率瓶颈。未来，如果将这一思路推广到其他材料体系，如钛合金、高温合金等，有望在航空航天、核能等高端制造领域获得更广泛的应用。对于从事钢管与管件制造的工程师而言，增材制造技术在管件修复、异型管件定制生产等方面具有广阔的应用前景，值得持续关注和学习。