送丝方式对步进填丝双脉冲TIG电弧增材成形精度的影响学习体会

文献概况与研究背景

李璐鹏等人在《焊接学报》2022年第43卷第9期发表的这篇论文，针对电弧增材制造热质传输强耦合、成形尺寸精度低等共性关键问题，提出了一种步进填丝双脉冲钨极氩弧（TIG）电弧增材制造方法。该研究基于此方法建立增材成形试验系统，开展系列变化参数的直壁墙增材工艺试验，利用同步采集的熔滴、熔池动态变化图像数据，重点研究分析了送丝方式对焊丝熔化、熔滴过渡、熔池行为和成形尺寸精度的影响规律。

该研究由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完成，得到了国家自然科学基金、甘肃省自然科学基金、甘肃省重点研发计划等多项资助。电弧增材制造（Arc Additive Manufacturing, AAM）是一种快速成形技术，通过逐层熔化金属丝材或板材来制造三维金属零件。与传统的减材制造和粉末床熔融增材制造相比，电弧增材制造具有材料利用率高、成形速度快、设备成本相对低等优点，特别适合大型金属零件的快速制造。

步进填丝双脉冲TIG增材方法分析

步进填丝双脉冲TIG电弧增材制造方法是该研究提出的核心创新。该方法的关键特征包括以下三个方面。

第一，步进填丝方式。传统的电弧增材制造中，焊丝的送进是连续进行的，焊丝始终处于电弧热影响区域内。而步进填丝方式是在每个脉冲周期内，焊丝以步进的方式间歇送进，在脉冲间隙期间停止送丝，使熔池有时间冷却和凝固。这种间歇送丝方式可以有效控制熔池的热积累，减少热变形，提高成形精度。

第二，双脉冲电弧。双脉冲TIG电弧由高频脉冲和低频脉冲叠加而成。高频脉冲用于维持电弧的稳定燃烧，低频脉冲用于提供主要的熔化工率。这种双脉冲模式能够在保证电弧稳定性的同时，精确控制热输入量，实现熔池行为的精细化控制。

第三，增材成形试验系统。该研究建立了专门的增材成形试验系统，能够同步采集熔滴和熔池的动态变化图像数据。这种同步采集技术为研究送丝方式对熔池行为的影响提供了直观的数据支撑，使得微观过程的可视化分析成为可能。

送丝方式对熔滴过渡的影响

该研究的核心发现之一是：前、后送丝方式下熔滴均以液桥过渡方式熔入到熔池。液桥过渡是TIG电弧增材中典型的熔滴过渡方式，其特点是熔滴在焊丝端部形成液桥后，在表面张力和电磁力的共同作用下被拉入熔池。

然而，前送丝和后送丝方式下熔滴过渡的行为存在显著差异。在前送丝方式下，焊丝从前方送入电弧区域，焊丝端部首先接触电弧热区，熔化速度较慢，熔滴形成和过渡的频率较低，熔滴尺寸较大。在后送丝方式下，焊丝从后方送入电弧区域，焊丝端部在电弧后方被加热，熔化效率更高，熔滴过渡频率明显增加，熔滴尺寸变小。

从物理机制来看，后送丝方式下焊丝熔化效率更高的原因在于：焊丝在电弧后方时，电弧的等离子体流和金属蒸气流对焊丝端部的加热作用更强，同时焊丝端部在电弧后方处于"热尾流"区域，温度梯度更大，有利于快速熔化。此外，后送丝方式下焊丝与熔池的相对位置更有利于液桥的形成和断裂，促进了熔滴的快速过渡。

送丝方式对熔池行为的影响

熔池行为是决定增材成形精度的关键因素。该研究发现，相比前送丝增材过程，后送丝方式下熔池表面高度和宽度尺寸波动均减小。

熔池表面高度波动减小意味着熔池的稳定性提高，这对于逐层沉积的增材制造过程至关重要。如果熔池高度波动过大，会导致层间结合不良、表面粗糙度增大，甚至出现塌陷或飞溅等缺陷。后送丝方式通过减小熔池高度波动，提高了层间结合质量和表面成形质量。

熔池宽度波动减小意味着熔池的横向尺寸更加稳定，这对于控制沉积件的几何精度非常重要。在直壁墙增材中，熔池宽度的稳定性直接影响壁厚的均匀性和垂直度。后送丝方式通过稳定熔池宽度，提高了直壁墙的几何精度。

高频脉冲电弧使熔池体积略微增加，但热稳定性明显增强。这一发现看似矛盾，实际上反映了双脉冲TIG电弧的独特优势。高频脉冲虽然增加了熔池体积，但由于脉冲频率高、单个脉冲能量小，熔池的温度波动较小，凝固过程更加均匀，从而提高了热稳定性。

工程应用前景与质量控制

步进填丝双脉冲TIG电弧增材制造技术在以下领域具有广阔的应用前景。

在航空航天领域，大型金属结构件（如发动机机匣、机翼肋板等）的制造需要高精度、高一致性的成形技术。步进填丝双脉冲TIG增材制造能够满足这些要求，同时避免了传统加工方法中的材料浪费。

在能源领域，大型管道和压力容器部件的快速制造需要高效的增材技术。TIG电弧增材制造能够使用多种金属材料（如碳钢、不锈钢、镍基合金等），适应不同的服役环境要求。

在模具制造领域，复杂形状模具的快速制造需要高精度的成形能力。步进填丝双脉冲TIG增材制造通过精确控制熔池行为，能够实现复杂几何形状的准确成形。

从质量控制的角度来看，步进填丝双脉冲TIG增材制造的质量控制需要关注以下方面：熔池动态行为的实时监测，通过高速摄像或红外热像仪监测熔池的形态和温度变化；层间结合质量的检测，通过金相分析评估层间结合强度；几何精度的检测，通过三维扫描或激光测距评估成形件的尺寸精度；内部缺陷的检测，通过超声或射线检测评估内部是否存在气孔、未熔合等缺陷。

学习心得与启示

该文献的核心贡献在于提出了一种创新的步进填丝双脉冲TIG电弧增材制造方法，并通过系统的试验研究揭示了送丝方式对增材成形精度的影响规律。后送丝方式相比前送丝方式在焊丝熔化效率、熔滴过渡频率、熔池稳定性和成形精度方面均表现出明显优势，这一发现对于优化电弧增材制造工艺具有重要的指导意义。

在实际工程中，步进填丝双脉冲TIG增材制造技术的推广应用需要解决送丝机构的精确控制、脉冲电弧的稳定产生、以及成形过程的实时监控等一系列技术问题。同时，需要建立该技术的工艺规范和标准，确保成形质量的可重复性和一致性。该研究为这些工作提供了重要的技术参考，对于推动电弧增材制造技术的发展具有重要的指导意义。

从更宏观的角度来看，电弧增材制造技术正在经历从实验室研究向工业化应用的转变。步进填丝双脉冲TIG增材制造方法作为一种创新的工艺方案，其技术优势在于通过精确控制送丝和脉冲参数，实现了对熔池行为的精细化控制，从而提高了成形精度。这一技术思路对于其他电弧增材制造工艺的优化也具有借鉴意义，体现了"精确控制热质传输"这一增材制造技术发展的核心方向。在实际应用中，应根据具体的零件需求、材料特性和设备条件，合理选择和优化增材制造工艺参数，充分发挥步进填丝双脉冲TIG增材制造的技术优势，实现高效、高精度的金属零件制造。