电弧熔丝增材制造(wire arc additive manufacture，WAAM) [1]采用分层切片、逐层堆积的方式来成形复杂形状的金属构件，已成为制造大型高性能金属构件的重要途径．Dai等[2]采用电弧熔丝增材制造方法制造高层建筑多向管接头；Xiong等[3] 采用电弧增材制造方法制造火箭发动机推力室构件；Ma等[4] 采用电弧增材制造方法制造空间尺寸为3 000 mm的高强铝合金航空薄壁框架．Williams等[5]采用电弧熔丝增材制造工艺制备低碳钢筒体构件，其成形效率为2.6 kg/h．Chen等[6]研究了电弧熔丝增材制造工艺成形316L不锈钢的微观组织和力学性能，在制造过程中堆积成形效率为3.27 kg/h．Zhang等[7]采用铝合金电弧熔丝增材制造金属构件，其送丝速度为7 m/min，成形效率约为1.3 kg/h．目前，采用单丝电弧熔丝增材制造金属构件的效率较低，大型金属构件制造周期长．为了提高电弧熔丝增材制造构件的成形效率，许多研究者使用双丝电弧熔丝增材制造工艺制备金属构件．石钧彪等[8]研究了熔化极气体保护焊(gas metal arc welding，GMAW)双丝增材制造工艺，并制备出Cr-Ni不锈钢构件，双丝电弧熔丝增材制造工艺的堆积效率提高了1.6倍．Gu等[9]研究了冷金属过渡焊接技术(cold metal transfer，CMT)的Tandem双丝增材制造方法，通过控制双丝电弧的工艺参数，改变了堆积金属热流场进而控制构件组织转变，制备出力学性能较高的2024铝合金构件．吴开源等[10]利用双电弧成形了低合金钢构件，其堆积层表面无缺陷，平直度较高，并且成形构件中无气孔、未熔合和裂纹缺陷，构件成形质量高．双丝电弧熔丝增材制造工艺不仅可以提高构件的成形效率，同时可以改善构件的成形质量．但双丝电弧熔丝增材制造工艺采用两台电源、两套送丝机构与双导电嘴焊枪，其工作模式为双丝双电弧，不仅设备复杂，而且其电弧枪体体积较大，易造成干涉．为了避免成形过程中的枪体与构件的干涉，发明了单电源多丝工艺技术[11-12]．于露等[13]研究了双丝间距对串列双丝脉冲熔化极惰性气体保护焊(melt inert-gas welding，MIG)焊熔滴过渡过程的影响，当双丝间距为3 mm时没有短路过渡现象出现，焊接过程稳定．向婷等[14]采用单电源三丝熔化极惰性气体保护焊接技术，焊接过程稳定，获得无缺陷的焊缝．若将单电源三丝工艺技术应用于大型金属构件电弧熔丝增材制造，不仅可以提高其成形效率，而且可以降低电弧熔丝增材制造设备复杂度，特别是减小了电弧枪的体积，避免枪体受到干涉．但该工艺方法的熔滴过渡行为及其对成形构件精度的影响有待深入研究．电弧熔丝增材制造过程中，熔滴过渡行为直接影响到堆积层的成形质量与微观组织[15]．罗怡等[16]研究了熔滴过渡对电弧熔丝增材制造堆积层形貌的影响，发现当射滴过渡时，熔滴对熔池的冲击力会使得堆积层坍塌、层高不均匀，降低其成形精度．Guo等[17]研究了磁场强制约束电弧增材制造技术，并使用高速相机观察其熔滴过渡过程，随着电流增加熔滴由大颗粒过渡变为小颗粒高频过渡；此时电弧稳定，堆积层宽度均匀，构件成形精度高．李权等[18]研究了熔滴过渡对电弧熔丝增材制造铝合金气孔含量的影响，发现变极性脉冲冷金属过渡焊接技术熔滴过渡模式热输入极低，此时熔池尺寸小，并且其焊丝的正负极性交替变换，可减小气体来源，减小构件中的气孔密度．解生冕等[19]开发了一套机器人四丝共熔池脉冲熔化极活性气体保护电弧焊(metal active gas arc welding，MAG)系统，通过控制脉冲相位关系实现一脉一滴的熔滴过渡形式，并且获得具有无缺陷的焊缝．单电源三丝共熔滴电弧熔丝增材制造过程中的熔滴过渡行为是影响构件成形精度的关键因素，但有关单电源三丝共熔滴过渡模式及其对成形精度的影响未见报道．本研究采用单电源三丝共熔滴电弧增材制造技术，分析单电源三丝电弧熔丝增材制造共同熔滴的形成过程，并分析了工艺参数对熔滴过渡行为及堆积层形貌的影响，优化了单电源三丝共熔滴堆积工艺参数．采用单电源三丝电弧熔丝增材制造直壁筒体构件，并分析其成形精度和力学性能，为大型金属构件单电源三丝电弧熔丝增材制造积累了基础数据．1 试验方法与材料单电源三丝共熔滴电弧增材制造平台包括KUKA KR60-3机器人，额定电流为1 000 A的AOTAI弧焊电源，三丝同步送丝机等．三根金属丝材呈“等边三角形”分布，相互平行，丝材中心之间的距离为2.0 mm．所使用的金属丝材为直径1.2 mm的药芯丝材，其主要化学成分(质量分数)为0.08% C，1.67% Mn，0.92% Si，0.008% S，0.01% P，0.01% Mo，0.12% Ti，0.02% Ni．高速摄像系统包括Fastcasm Mini UX-50型高速工业相机，波长为808 nm的He/Ne激光照明光源、808 nm滤光片．电荷耦合器件(charge coupled device，CCD)高速工业相机的最大帧数为1.6×105帧/s，可采集到电弧毫秒级内的形态快速变化．808 nm滤光片仅允许波长808 nm的激光通过，从而屏蔽环境噪声．三维测量系统使用Powerscan三维扫描仪对电弧熔丝增材制造堆积层进行三维形貌测量分析．Powerscan三维测量仪分辨率为1 296像素×966像素，最高测量精度为±0.02 mm，单幅测量时间为0.4 s，测量范围为390 mm×290 mm．采用三维测量系统对单道堆积层进行三维测量，取得单道堆积层截面轮廓线．轮廓线最窄处宽度为D1，轮廓线最宽处宽度为D2，则堆积层平整度K=(D2-D1)/D2．(1)K值越小则表明堆积层的平整度越高，堆积层轮廓波动越小．在增材制造成形的艉轴架轮毂构件中取长度200 mm，宽度150 mm，厚度10 mm的长方体试样，见图1(a)；对试样进行拉伸试验与冲击试验，见图1(b)；试样尺寸见图1(c)．使用AE2000MET光学显微镜对其组织进行分析，取力学性能试样，用W300B型万能试验机和JB-300B冲击试验机，对室温拉伸和-20℃冲击力学性能进行测量．10.13245/j.hust.221206.F001图1力学性能试验取样示意图(mm)2 单电源三丝电弧增材制造熔滴过渡2.1　三丝共同熔滴的形成机理在电弧熔丝增材制造成形过程中，三根金属丝材的送丝速度相同且同时起弧，形成三个独立电弧，电弧热与丝材电阻热使得丝材末端熔化，形成三个独立的小熔滴，如图2(a)所示．此时，熔滴受到重力Fg、表面张力Fσ、电磁力FL与气体吹力Fr的作用．其中促进熔滴过渡的力为重力与气体吹力，抑制熔滴过渡的力为表面张力与电磁力，气体吹力影响较小可忽略不计．熔滴受到的作用力的计算公式如下 Fg=mg=4πR3ρg/3；(2)FL=B1J1V=[2μI2/(π2Dd2)](4πR3/3)；(3)Fσ=2πRγ，(4)式中：m为熔滴质量；R为熔滴半径；ρ为熔滴密度；J1为丝材1上的电流密度；d为金属丝材的直径；B1为丝材1中心处磁通密度；μ为真空磁导率；D为金属丝材中心间距；I为丝材1，2，3上的电流；γ为单位面积表面张力．按照式(2)～(4)计算得到促进熔滴过渡的力Fcu和抑制熔池过渡的力Fyi分别如下： Fcu=mg=4πR3ρg/3；(5)Fyi=2μI2π2Dd2×43πR3+2πRγ．(6)随后该熔滴随着电弧燃烧不断长大直至相互接触，熔滴直径为丝材直径与丝材间隙之和，约为2 mm，见图2(b)．为便于分析熔滴受力情况，假设熔滴为质量分布均匀的球体，并且由于金属丝材具有一定的刚性，其受到电磁力向中心偏移量忽略不计．此时熔滴的半径R约为1.0 mm，熔滴的密度约为7.1 g/cm3，g=9.8 m/s2．因此每个单丝熔滴受到的重力约为2.913×10-4 N．单电源三丝共熔滴增材制造的工艺参数范围为300～700 A，每根丝材上的电流范围在100～230 A之间，丝材中心间距为2 mm，真空磁导率μ=4π×10-7/I2，因此熔滴受到的电磁力FL为2.700×10-3 N至1.080×10-2 N．熔滴的温度约为2 000 ℃，根据表面张力计算公式γFe=2.814-0.574×10-3T [20]，此时表面张力γFe=1.666 N/m，熔滴半径为1.0 mm，因此单丝熔滴的表面张力为1.046×10-2 N．熔滴受到的抑制熔滴过渡的力Fyi为2.126×10-2 N，促进熔滴过渡的力Fcu为2.124×10-4 N，抑制熔滴过渡的力Fyi大于促进熔滴过渡的力Fcu，熔滴不会滴落，分别在悬挂丝材末端保持接触状态，如图2(b)所示．10.13245/j.hust.221206.F002图2单电源三丝熔滴生长过程如图2(c)所示，三根金属丝材对称分布，每根金属丝材受到其他两根丝材的力均相等．此时丝材1熔滴处受到金属丝材2和3的电磁力FL使得熔滴有向中心偏移的趋势，相互接触挤压．在表面张力的作用下，为了保持面积最小的状态，三个独立小熔滴融合形成共同熔滴，三个独立电弧会形成一束位于熔滴下端面与母材之间的共同电弧，如图2(d)所示．“共同熔滴”受到电磁收缩力的作用产生颈缩现象，颈缩处R减小，此处表面张力减小，熔滴重力增加，并且由于熔滴尺寸变大，受到的气体吹力增加，使得抑制熔滴过渡的力Fyi小于促进熔滴过渡的力Fcu，熔滴向熔池中过渡，如图2(e)所示．单电源三丝共熔滴电弧增材制造相较于单丝电弧增材制造不仅提高了金属构件的成形效率，而且“共同熔滴”受到三根丝材的牵制作用，可实现大电流工况下的平稳熔滴过渡，避免了单丝增材制造大电流情况下熔滴在丝材末端发生“熔滴旋转”，影响熔池稳定性，降低构件成形精度的问题．因此，单电源三丝共熔滴电弧增材制造可实现高精度、高效率电弧增材制造金属构件成形．2.2　不同工艺参数下的熔滴过渡形式单电源三丝共熔滴电弧熔丝增材制造系统在电流为400 A、电压为26 V条件下的熔滴过渡过程见图3；在电流为500 A、电压为26 V条件下的熔滴过渡过程见图4；在电流为600 A、电压为28 V条件下的熔滴过渡过程见图5；在电流为700 A、电压为30 V条件下的熔滴过渡过程见图6．10.13245/j.hust.221206.F003图3排斥过渡熔滴过渡10.13245/j.hust.221206.F004图4潜弧过渡熔滴过渡10.13245/j.hust.221206.F005图5颗粒过渡熔滴过渡10.13245/j.hust.221206.F006图6射滴过渡熔滴过渡在电流为400 A、电压为26 V条件下熔滴过渡形式为排斥过渡，如图3所示．电弧引燃后三根丝材端部熔化并汇聚形成一个熔滴，包裹住三根焊丝的端部，电弧位于丝材与母材之间，如图3(a)所示．随着电弧的继续燃烧，熔滴增大并吸附在丝材末端，如图3(b)所示．此时电流、电压较小，保护气体CO2高温分解吸热反应对电弧有冷却作用，电弧弧根面积减小，熔滴受到阳极斑点力的作用偏离丝材轴线形成上翘，熔滴受力图如图3(g)和(h)所示．电弧随着熔滴偏离摇摆，成形过程不稳定，如图3(c)和(d)所示．熔滴受到电弧收缩力的作用发生颈缩现象，准备向熔池中过渡，如图3(e)所示．熔滴与丝材分离落入熔池实现一次熔滴过渡，但大部分熔滴未落入熔池形成飞溅，如图3(f)所示．在此工艺参数下，排斥过渡电弧随着熔滴摇摆运动，电弧稳定性差，熔滴过渡时间为40 ms，过渡频率为25 Hz．在电流为500 A、电压为26 V条件下熔滴过渡形式为潜弧过渡，如图4所示．电弧引燃后三根金属丝材熔化形成一个共同熔滴，丝材末端与熔池表面平齐，未见电弧与熔滴，电弧和熔滴均位于熔池内部，如图4(a)所示．此时相较于排斥过渡，电流有所增加，电压不变，电弧有较大的静压力，阴极斑点集中作用于熔池上，对熔池有很强的挖掘作用，排开部分熔池金属，电弧潜入熔池的凹坑中，如图4(b)～(e)所示．熔滴与丝材分离落入熔池中，实现一次熔滴过渡，如图4(f)所示．潜弧过渡时电弧静压力大，熔池产生凹坑，导致堆积层熔深大，使得已经堆积成形的部分反复重熔，影响构件的性能．熔滴过渡时间为32 ms，熔滴过渡频率为33 Hz．在电流为600 A、电压为28 V条件下熔滴过渡形式为颗粒过渡，如图5所示．电弧引燃后三根丝材同时熔化并形成一个共同熔滴，如图5(a)所示．随着丝材的进一步熔化，熔滴逐渐增大，电弧稳定，表面张力使得熔滴挂在丝材前端，阻碍熔滴向下运动．此时电压、电流相较于潜弧过渡时均增加，电弧弧柱区域变长，底面积增加，熔池单位面积上受到的静压力减小，不会被排开形成凹坑，如图5(b)～(d)所示．熔滴受到电弧收缩力的作用发生颈缩现象，将向熔池中过渡，如图5(e)所示．熔滴受到重力和气体吹力的促进作用，熔滴向熔池中过渡，熔滴受力如图5(g)和(h)所示．颗粒过渡熔滴始终处于丝材轴线方向上，熔滴过渡过程稳定，电弧稳定，熔滴过渡时间为15 ms，过渡频率为66 Hz．在电流为700 A、电压为30 V条件下熔滴过程形式为射滴过渡，如图6所示．电弧引燃后三根丝材同时熔化并形成一个熔滴，如图6(a)所示．随着丝材的进一步熔化，熔滴逐渐增大．此时相较于颗粒过渡时电流、电压进一步增加，熔滴温度升高，表面张力减小，熔滴尺寸减小，如图6(b)～(d)所示．由于电磁力与电流的平方成正比，电磁力收缩力增加，熔滴还未增大就发生颈缩现象，如图6(e)所示．细小的熔滴从丝材末端高频滴状向熔池过渡，如图6(g)和(h)所示．射滴过渡熔滴始终处于丝材轴线方向上，熔滴过渡过程稳定，电弧稳定，熔滴过渡时间为8 ms，过渡频率为125 Hz．单电源三丝共熔滴电弧熔丝增材制造系统不同工艺参数下熔滴过渡形式与过渡频率见表1．随着工艺参数的增加，熔滴过渡形式分为排斥过渡、潜弧过渡、颗粒过渡与射滴过渡4种．其中颗粒过渡和射滴过渡时熔滴过渡过程稳定，电弧稳定．共同熔滴并没有在丝材末端旋转，具有平稳的熔滴过渡过程．10.13245/j.hust.221206.T001表1单电源三丝共熔滴电弧增材制造熔滴过渡试验组数电流/A电压/V熔滴过渡形式熔滴过渡频率/Hz堆积层平直度140026排斥过渡250.86250026潜弧过渡330.42360028颗粒过渡660.38470030射滴过渡1250.672.3　不同工艺参数的堆积层成形单电源三丝共熔滴电弧熔丝增材制造系统排斥过渡单道堆积层的三维测量图如图7所示．由图可见堆积层宽度不均匀，其截面轮廓平整度为0.86，尺寸波动较大．排斥过渡时，其熔滴偏离轴线摇摆，电弧随着熔滴偏离轴线，熔池无法始终处于同一直线上，形成宽度不均匀的堆积层，并且熔滴难以落入熔池，使得堆积层平整度较低．10.13245/j.hust.221206.F007图7排斥过渡堆积层图片潜弧过渡单道堆积层的三维测量图如图8所示．此时堆积层轮廓较为平整，宽度均匀，其堆积层平整度为0.42；但是由于电弧静压力大，熔池被排开产生凹坑，会使得堆积层具有较大的熔深，使得已经堆积成形的部分反复重熔，影响构件的性能与精度．10.13245/j.hust.221206.F008图8潜弧过渡堆积层图片颗粒过渡单道堆积层的三维测量图如图9所示．此时堆积层轮廓较为平整，宽度均匀，堆积层平整度为0.38，熔滴过渡过程稳定．射滴过渡单道堆积层的三维测量图如图10所示．此时堆积层轮廓较为平整，宽度较宽，堆积层平整度为0.67．但此时电流电压太大，使得构件热输入较大，会产生较大的热变形，降低其成形精度．工艺参数对熔滴堆积层平整度的影响见图11．10.13245/j.hust.221206.F009图9颗粒过渡堆积层图片10.13245/j.hust.221206.F010图10射滴过渡堆积层图片单电源三丝电弧熔丝增材制造颗粒过渡时，其堆积层平整度最高，堆积层宽度均匀，熔滴过渡稳定；并且其对熔池的静压力较小，熔池不会产生凹坑，已成形部分不会反复重熔；同时其热输入较射滴过渡小，构件的热积累小，变形小．因此，单电源三丝电弧熔丝增材制造颗粒过渡时，可获得高精度的大型金属构件．10.13245/j.hust.221206.F011图11工艺参数对熔滴堆积层平整度的影响3 增材制造成形艉轴架轮毂模拟件采用单电源三丝共熔滴电弧增材制造工艺堆积舰船艉轴架轮毂模拟件[21]，堆积工艺参数为颗粒过渡时的工艺参数，堆积电流为600 A，电压为28 V，堆积速度为15 mm/s．艉轴架轮毂模拟件壁厚为20 mm，外径为210 mm，高度为300 mm．采用平面切片规划路径，单道三丝共熔滴堆积层宽度为20 mm，搭接量为10 mm，每层均为内外两道轮廓成形．若采用单电弧增材制造成形该轮毂模拟件，单道堆积层宽度最大仅为8 mm，每层圆环堆积层须使用4道单道堆积层搭接而成，其中道间搭接次数为3次；而当使用单电源三丝共熔滴电弧增材制造成形时，单道堆积层宽度为12 mm，仅需要两道堆积层，搭接次数仅为1次，可以减小搭接次数，降低搭接误差；同时单电源三丝共熔滴堆积层的尺寸精度高，可进一步提高构件成形精度．单电源三丝共熔滴电弧增材制造堆积轮毂模拟件实物如图12(a)所示，三维测量结果如图12(b)所示，精度分析如图12(c)所示，其整体成形精度为10.13245/j.hust.221206.F012图12轮毂模拟件及三维测量模型精度分析±1.2 mm，比单电弧增材制造金属构件的整体成形精度±2.0 mm提高了40%．单电弧三丝共熔滴电弧增材制造的成形效率为7 kg/h，相较于单丝电弧熔丝增材制造工艺提高了2.6倍．艉轴架轮毂模拟件的微观组织如图13所示．堆积金属由珠光体和等轴铁素体组成，晶粒细小均匀，尺寸均在20 μm以下．这是由于单电源三丝电弧增材制造时热输入较高，冷却速度缓慢，其微观组织接近平衡组织，均为细小的等轴晶，具有良好的性能．10.13245/j.hust.221206.F013图13轮毂模拟件显微组织由表2可以看出：单电源三丝电弧熔丝增材制造艉轴架轮毂模拟件的屈服强度为563 MPa，抗拉强度为674 MPa，伸长率为32%，-20 ℃冲击吸收功为115 J，单电源三丝电弧熔丝增材制造艉轴架轮毂模拟件力学性能与单电弧增材制造构件基本一致，满足使用需求．10.13245/j.hust.221206.T002表2艉轴架轮毂模拟件力学性能制造方式屈服强度/MPa抗拉强度/MPa伸长率/%冲击吸收功/J单电源三丝横向56367432115纵向54866431108单丝55166328944 结论a. 单电源三丝电弧熔丝增材制造成形时，三根丝材末端首先形成三个独立的单丝熔滴，熔滴在洛伦兹力和表面张力作用下，形成“共同熔滴”．三丝共熔滴的电弧不会产生电弧旋转的现象，电弧稳定．b. 单电源三丝电弧熔丝增材制造在电流为400 A、电压为26 V条件下为排斥过渡，过渡频率为25 Hz；在电流为500 A、电压为26 V条件下为潜弧过渡，过渡频率为33 Hz；在电流为600 A、电压为28 V条件下为颗粒过渡，过渡频率为66 Hz；在电流为700 A、电压为30 V条件下为射滴过渡，过渡频率为125 Hz．单电源三丝电弧熔丝增材制造成形优选的工艺参数为电流为600 A，电压为28 V，其堆积层平直度好，熔滴过渡稳定．c. 单电源三丝电弧熔丝增材制造的轮毂模拟件的成形精度提高了40%，成形效率较单丝电弧熔丝增材制造提高了2.6倍．堆积的低合金钢艉轴架轮毂模拟件其成形精度为±1.2 mm；堆积金属由珠光体和等轴铁素体组成，珠光体和铁素体晶粒细小均匀，尺寸均在20 μm以下，其屈服强度为563 MPa，抗拉强度为674 MPa，伸长率为32%，-20 ℃下冲击吸收功为115 J．单电源三丝电弧熔丝增材制造艉轴架轮毂模拟件力学性能满足使用要求．