等离子制造技术与增材制造装备

等离子制造技术与增材制造装备曹修全摘要：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，制造，增材制造PlasmaManufacturingTechnologyandAdditiveManufacturingEquipmentsXiuquanCaoAbstract: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[1]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[2]、切割[3]、增材制造[4-8]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[22]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[23]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[24]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[25]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[26]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[27]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[21]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[28]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[29]。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[30]；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[32,33]。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[34]。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[35]。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[36]。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]。等离子体切割制造技术等离子切割制造技术[3,18,41-43]是利用高温等离子电弧的热量使工件切口处的金属局部熔化（和蒸发），并借高速等离子的动量排除熔融金属以形成切口，从而制造出所需工件的一种制造方法，其原理如图2所示。通常，等离子体切割制造技术可以分为：注水空气等离子切割制造技术，反极性空气等离子切割制造技术，水下等离子切割制造技术等三类。图2等离子体切割原理：1-电极；2-工作气体；3-辅助气体；4-保护罩；5-冷却型喷嘴；6-工件；7-等离子体弧；8-对中环。1）注水空气等离子切割制造技术。注水等离子切割具有以下优点：1）新型注水等离子割炬使得部分蒸发的水蒸汽形成等离子体，增加了等离子弧的最高温度，进而增加了等离子体的穿透能力；2）减少切割金属边缘氮化层，可避免焊接时气孔、裂纹等缺陷的产生；3）增加切割边缘的垂直度，减小切口表面粗糙度，提高焊接接头的强度；4）与氧乙炔切割相比，切割端面热影响区减小2/3，显微硬度降低1/2；5）切割构件的边缘变形量减小可直接用于焊接。目前仅有乌克兰巴顿所开发了系列PLAZER—Cut等离子切割装备。2）反极性空气等离子切割制造技术。反极性空气等离子切割与普通等离子切割相比，具有以下突出优势：1）小孔吸收热量的能力增加1．5倍，焊接效率提高20％～40％；2）切割厚度增加2～3倍，极限厚度可达200mm；3）切口宽度降低10％～15％。目前，乌克兰巴顿所对此作了研究，提高了电极使用寿命。3）水下等离子切割制造技术。水下等离子切割具有如下优点：1）可以有效降低等离子弧切割时的弧光、噪声和烟尘的污染；2）降低工件切割温度，从而减小变形。从切割枪中不仅喷出等离子气，而且在等离子弧周围喷出高速水流，有助于等离子弧的进一步压缩。乌克兰巴顿所开发的水下等离子切割设备，可在海水下27mm处切割25mm厚的钢或有色金属，若将工件置于空气中切割，切割厚度可达80mm。德国梅塞尔、美国L—TEC、武汉金嘉数控等公司也开发出了相应产品。等离子体增材制造技术等离子体增材制造技术[5-7]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、