你覺得電弧增材不就是焊接嗎？

作者：格智學(xué)院 遲科萌 吳曉

電弧增材不就是焊接嗎,？相信這個(gè)靈魂問題,，絕大多數(shù)接觸過電弧增材的朋友，都問過或者被問過,。的確,，無論從工藝原理或者裝備構(gòu)成上，電弧增材都和焊接有著太多相同或相似之處,，因而有此一問并不讓人意外,。那么，電弧增材究竟與焊接是什么關(guān)系,，又有著哪些異同呢,？希望這篇文章可以給大家一個(gè)答案,。

電弧增材是焊接嗎？
要回答這個(gè)問題,，我們就要先了解焊接的定義,，然后再依據(jù)定義來判斷電弧增材是否符合。

• 焊接的定義：通過加熱或加壓,，或兩者并用,，并且用或不用填充材料，使同種或異種工件達(dá)到原子間結(jié)合的一種加工方法,。
  

根據(jù)焊接的定義,，電弧增材完全可以理解為采用電弧作為熱源,，對(duì)材料進(jìn)行加熱,，用金屬絲材作為填充材料，使同種或異種材料達(dá)到原子間結(jié)合從而形成工件的一種加工方法,。

顯而易見,，電弧增材無疑就是一種焊接技術(shù)。然而,，我們不妨順著這個(gè)思路再進(jìn)一步,。從定義的角度來說，金屬增材制造的各種技術(shù)路線,，無論是成熟度更高的激光粉末床熔融增材技術(shù),，還是后起之秀的激光能量沉積，電弧增材,，等離子熔絲增材,，電子束熔絲增材等，似乎也都符合焊接的定義,。而事實(shí)上,，如果我們將常見的焊接方法和增材工藝技術(shù)路線進(jìn)行對(duì)比，我們就不難發(fā)現(xiàn),，二者之間驚人的相似,。

焊接方法總體上可以分為三大類：熔焊、釬焊,、壓力焊,。其中熔焊包括：電弧焊、激光焊,、電子束焊,、等離子弧焊等，壓力焊包括：電阻焊,、攪拌摩擦焊,、冷噴焊接,、超聲波焊接等。

而我們常見的金屬增材技術(shù)則包括：電弧增材,、激光粉末床熔融,，激光定向能量沉積，電子束熔絲增材,，等離子增材,，也包括近來逐漸受到關(guān)注的攪拌摩擦增材、冷噴增材等等,。

圖片來源：AMPower

到這里,，結(jié)論已經(jīng)呼之欲出。不僅僅電弧增材是焊接技術(shù),，絕大多數(shù)金屬增材技術(shù)都與焊接技術(shù)同根同源,。

這個(gè)結(jié)論讓人覺得意料之外卻又在情理之中，因?yàn)楹附蛹夹g(shù)與增材技術(shù)從來都不是兩個(gè)互相排斥或是互相包含的概念,，它們是從兩個(gè)完全不同的角度對(duì)技術(shù)進(jìn)行定義和分類的,。因此，一項(xiàng)技術(shù)方法既是焊接又是增材也是完全可能的,。然而這個(gè)結(jié)論似乎并不能解答大家真正的疑問,，因?yàn)楸绕痣娀≡霾氖遣皇呛附樱�其�?shí)大家更想問的是：作為一種焊接技術(shù),，我們?yōu)槭裁匆�把電弧增材定義為一種增材技術(shù),，而不是就叫它電弧焊呢？


這個(gè)問題背后,，可能反映的是大家的一個(gè)認(rèn)知誤區(qū),。因?yàn)橥�往我們提到金屬增材制造或者金�?D打印，大家首先會(huì)想到的是激光粉末床熔融（SLM）技術(shù),，甚至有人會(huì)覺得SLM是增材制造,，而電弧增材不是。當(dāng)然這也情有可原,，因?yàn)镾LM技術(shù)確實(shí)是目前被認(rèn)為技術(shù)成熟度和工業(yè)化程度最高的金屬增材技術(shù),。然而受限于效率、成本和質(zhì)量,，SLM技術(shù)更適用于小型精細(xì)的金屬零件增材,，而電弧增材自由的成型環(huán)境對(duì)零件尺寸幾乎無限制，成型效率可達(dá)每小時(shí)幾公斤,，更適合中大型到超大型復(fù)雜金屬構(gòu)件的制造,，隨著近年來技術(shù)成熟度和工業(yè)化程度逐步達(dá)到了工業(yè)化應(yīng)用的水平，逐漸被越來越多的人關(guān)注,。

圖片來源：AMPower

因此我們要回答上面的問題,，首先就需要拋開“金屬3D打印=SLM技術(shù)”的刻板印象,。然后我們通過了解增材制造以及電弧增材的定義，來尋找答案,。

增材制造定義：以三維模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),，通過材料堆積的方式制造零件或?qū)嵨锏墓に嚒?/font>

從增材制造的定義，我們可以看到三個(gè)關(guān)鍵的要素：
第一,，是原型制造,，描述了增材制造的用途，是用于零件或?qū)嵨锏脑�型制��,、快速成�?
第二,，是模型驅(qū)動(dòng)，定義了增材制造一定是一種數(shù)字化技術(shù),；
第三,，是逐層堆積，說明了增材制造自下而上,、從無到有的過程,。
這三個(gè)要素,，恰恰體現(xiàn)了電弧增材與焊接之間的不同,。
電弧增材制造技術(shù)（Wire Arc Additive Manufacture，WAAM）是一種采用電弧或等離子弧作為熱源將金屬絲材熔化,，在程序或軟件控制下采用逐層熔覆原理,，根據(jù)三維數(shù)字模型由線-面-體制造出接近產(chǎn)品形狀和尺寸要求的三維金屬坯件的先進(jìn)數(shù)字化制造技術(shù)。

差異一：原型制造
電弧增材是從無到有直接進(jìn)行原型制造,、快速成型的過程,。而一般來講，焊接的應(yīng)用場(chǎng)景包括工件的連接和表面改性,，都是在已有的零件上進(jìn)行加工的手段,。因此從應(yīng)用場(chǎng)景上來說，電弧增材與焊接就是不同的,。而不同的應(yīng)用場(chǎng)景,，就意味著不同的目標(biāo)和要求。我們以和增材更為接近的堆焊為例,。

堆焊作為材料表面改性的一種經(jīng)濟(jì)而快速的工藝方法,，可以提高產(chǎn)品和設(shè)備的性能、延長(zhǎng)使用壽命,、降低成本,，因此越來越多地應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)部門零件的制造和修復(fù)中。堆焊技術(shù)是表面工程中一個(gè)很重要的分支,，它是將具有一定使用性能的合金材料借助一定的熱源手段熔敷在母體材料的表面,，以賦予母材特殊使用性能或使零件恢復(fù)原有形狀尺寸的工藝方法,。因?yàn)樗�是在普通材質(zhì)的基礎(chǔ)上制備出需要的耐磨、耐熱以及耐腐蝕等特種性能的堆焊層的,，所以在節(jié)約能源,、節(jié)省材料、環(huán)境保護(hù)等方面展示了巨大的經(jīng)濟(jì)效益,。

電弧增材制造技術(shù)成型的零件由全焊縫金屬構(gòu)成,，化學(xué)成分均勻、致密度高,，在逐層堆積過程中,，零件會(huì)經(jīng)過多次加熱，經(jīng)歷多次淬火和正火,，可以消除大型鑄件中存在的不易淬透,、宏觀偏析、強(qiáng)度和韌性的各向異性等問題,。另一方面,，電弧增材制造無需模具，工序少工藝鏈短,，整體制造周期短,，自由的成型環(huán)境對(duì)零件尺寸幾乎無限制，成型效率可達(dá)每小時(shí)幾公斤,，適合中大型到超大型復(fù)雜金屬構(gòu)件的制造,。

差異二：模型驅(qū)動(dòng)
由于電弧增材是用于零件的快速成型的，因此不管是通過CAD軟件自主設(shè)計(jì)亦或是通過視覺逆向重構(gòu)生成,，電弧增材制造的工作流程起點(diǎn)都一定是零件的三維數(shù)模,。而對(duì)于焊接來說，則并沒有這一項(xiàng)要求,。具體來說,，焊接過程要完成的是“點(diǎn)”或“線”的連接或是“面”的覆蓋，而電弧增材要完成的是“體”的堆積,，而這個(gè)“體”就是零件的三維數(shù)模,。

模型驅(qū)動(dòng)的差異，衍生出的是工藝編程方式的截然不同,。即便是機(jī)器人焊接或堆焊,，由于路徑復(fù)雜程度低，大多數(shù)時(shí)候編程都可以通過手工示教或配合簡(jiǎn)單的軌跡偏移即可完成,。然而電弧增材,，需要首先將目標(biāo)工件的三維模型通過軟件在垂直于水平方向上或者是在曲面上進(jìn)行2D分解，每個(gè)分解層對(duì)應(yīng)著實(shí)際的沉積層,，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)金屬熔池沿著通過軟件規(guī)劃好的由數(shù)萬個(gè)甚至更多“空間點(diǎn)”組成的復(fù)雜空間軌跡,，逐層沉積最終形成實(shí)體零件,。如此復(fù)雜的空間軌跡，自然無法通過傳統(tǒng)焊接的編程方式實(shí)現(xiàn),，而必須依靠專業(yè)的CAM軟件,。這也是為什么，軟件是電弧增材一項(xiàng)至關(guān)重要的技術(shù)分支,。更多關(guān)于軟件的重要性,，大家可以查閱上一篇文章，里面有更詳細(xì)的講解,，這里就不再展開,。

差異三：逐層堆積
上面我們說到了，電弧增材是要完成零件三維“體”的堆積,，就需要沿著復(fù)雜的空間軌跡將材料逐層堆積,。而逐層堆積的過程，帶來的絕不僅僅是軌跡編程上的差異,。

電弧增材完成零件通常需要增材數(shù)百甚至數(shù)千層,，這就對(duì)工藝質(zhì)量的穩(wěn)定性，過程缺陷的即時(shí)識(shí)別與修復(fù)的要求都提升了數(shù)個(gè)量級(jí),，因?yàn)橐坏┰霾倪^程中出現(xiàn)缺陷,，又未能及時(shí)識(shí)別和修復(fù)，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品的報(bào)廢,，造成無法估量的損失,。因此為保障增材質(zhì)量，除了對(duì)裝備的穩(wěn)定性要求更高之外,，增材過程中通常需要采用各種過程監(jiān)控手段，如工藝參數(shù)監(jiān)控,、形貌監(jiān)控,、熔池監(jiān)控等等，再通過智能化軟件輔助對(duì)過程缺陷進(jìn)行識(shí)別和修復(fù),。

與此同時(shí),，不同的質(zhì)量要求，意味著焊接領(lǐng)域相對(duì)成熟的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn),、規(guī)范,、體系，僅供參考,，不能拿來主義的應(yīng)用于電弧增材,。事實(shí)上電弧增材制造目前可供參考的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)寥寥，比如《GB/T 39253-2020增材制造 金屬材料定向能量沉積工藝規(guī)范》以及《GB/T 39254-2020增材制造 金屬制件機(jī)械性能評(píng)價(jià)通則》,，然而落到各行各業(yè)的生產(chǎn)實(shí)踐中,，適合于電弧增材的工藝規(guī)范或是檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)幾乎空白,，從而使得工藝認(rèn)證變得困難重重。因此標(biāo)準(zhǔn)體系的建立和完善可以說是整個(gè)電弧增材行業(yè)目前最關(guān)注的,，甚至可以說是影響著電弧增材技術(shù)得到更廣泛應(yīng)用的核心痛點(diǎn),。然而標(biāo)準(zhǔn)化之路漫漫，仍然需要更大的投入和更廣泛的參與,，更需要經(jīng)過實(shí)踐漫長(zhǎng)的檢驗(yàn),，只能說，吾將上下而求索吧,。

傳統(tǒng)的新生
相信到這里,，電弧增材與焊接之間的關(guān)系大家應(yīng)該已經(jīng)了然。它絕不是簡(jiǎn)單的新瓶裝舊酒,，而是一項(xiàng)傳承了三千年的傳統(tǒng)技術(shù),，復(fù)合了更多學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域，蛻變后的新生,。但如果我們的眼光再長(zhǎng)遠(yuǎn)些,，焊接技術(shù)也在不斷向著智能化、數(shù)字化的方向發(fā)展,，而電弧增材技術(shù)也會(huì)不斷成熟和完善,，在不遠(yuǎn)的將來，彼此之間的界限會(huì)不會(huì)越來越模糊,，融合甚至孵化出新的可能呢,？
讓我們拭目以待。

推動(dòng)行業(yè)發(fā)展需要低使用門檻的軟件和專業(yè)技術(shù)人才

任何新興制造技術(shù)的發(fā)展,，都需要裝備,、軟件、材料,、工藝,、人才五大核心要素協(xié)同發(fā)展，缺一不可,。
對(duì)電弧增材技術(shù)來說,，其工藝本身與有著悠久歷史的焊接工藝同根同源，因此巨大的機(jī)器人焊接應(yīng)用市場(chǎng)存量對(duì)應(yīng)的裝備,、工藝,、材料經(jīng)驗(yàn)儲(chǔ)備都應(yīng)該可以成為電弧增材技術(shù)發(fā)展的土壤。然而現(xiàn)實(shí)情況是,，時(shí)至今日,，電弧增材技術(shù)的應(yīng)用依然局限在少數(shù)場(chǎng)景，歸其原因木桶的短板在于早期軟件和人才兩個(gè)要素的缺失，制約了行業(yè)的發(fā)展,。

相信隨著專用CAM軟件的出現(xiàn)和發(fā)展,，對(duì)專業(yè)技術(shù)人才的要求門檻也隨之不斷被降低，用戶可以越來越專注于工藝和產(chǎn)品的開發(fā),，從而不斷將電弧增材技術(shù)的潛力充分發(fā)掘出來,。

格智學(xué)院+衍構(gòu)科技：IungoPNT訂閱服務(wù)，為用戶賦能
為了讓更多想要探究電弧增材技術(shù)的用戶能夠更低門檻地進(jìn)行工藝驗(yàn)證和開發(fā),，促進(jìn)行業(yè)發(fā)展,，格智學(xué)院與衍構(gòu)科技聯(lián)合推出面向企業(yè)研發(fā)和教育科研的IungoPNT軟件訂閱服務(wù)。

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