面向模具修復的電弧增材制造技術研究現狀及發展

盧楚文，牛犇，王凱，易江龍，王桂茂，梁航，董小虹

1.佛山科學技術學院 廣東佛山 5282251

2.廣東省科學院中烏焊接研究所，廣東省現代焊接技術重點實驗室 廣東廣州 510650

3.廣東世創金屬科技股份有限公司 廣東佛山 5282251

1 序言

模具在工業生產中扮演著至關重要的角色，被廣泛應用于機械、汽車、航空、軍工和能源等領域，一個國家的模具制造水平往往反映了其制造業的實力[1]。近年來，中國的模具產業迅速崛起，市場份額已超過1200億元，年平均增速達到了20%[2]。作為大批量生產必備的工藝裝備，模具對于行業發展起到關鍵作用，尤其是近年來對大型、精密、復雜和服役壽命高的高強度模具的需求急劇增加。

模具在工作過程中，大部分模具會因為持續受到周期性的機械和熱載荷作用，從而導致服役壽命縮短[3]。以熱作模具為例，在服役過程中模具不僅要承受高溫和大載荷，同時還受到交替急冷急熱的作用，因此相對于其他冷作模具和塑料模具更容易發生失效[4]。主要的失效形式包括型腔熱疲勞、機械磨損、塑性變形和型腔斷裂等[5]。服役壽命是限制模具零部件快速持續生產的一個關鍵因素，然而模具的失效是不可避免的[6]。與制造全新模具相比，在現有模具基礎上將電弧增材制造技術引入熱作模具的修復工程中，可以顯著提高材料的利用率，并縮短生產周期[7]。特別是對于一些高強度特殊性能合金模具，其材料成本高、制造工序復雜、周期長、經濟附加值高，若通過電弧增材制造技術進行修復再制造，則可以確保其品質不亞于新品，甚至更優秀，從而延長模具的使用壽命，實現循環利用，達到節能減排和可持續發展的目標。

近年來，國內外陸續展開了多項基于電弧增材制造技術的熱作模具修復研究。然而，這些研究成果主要集中在單一或非閉環的技術環節及修復方法上，研究工作相對分散，迫切需要對這些成果進行整合并深化研究，以便為未來的研究提供參考和指導。因此，本文主要梳理了針對熱作模具修復的電弧增材制造技術的研究現狀，介紹了在修復過程中的成形參數預測、模型分層切片算法以及沉積路徑規劃方法。本文還總結了電弧增材制造技術在模具修復應用中的實際情況和面臨的主要挑戰，并對未來的研究趨勢和方向進行了展望。

2 模具修復研究現狀

2.1 模具修復方式

根據待修復模具的類型、尺寸、失效形式以及性能要求等特點，選擇合理的模具修復方式才能夠保證模具修復的性能和效果，以下是目前行業中較為常用的幾類模具修復方式。

（1）切削減材修復 切削減材修復技術通常用于那些僅發生微小磨損或裂紋的待修復模具，修復原理為將待修復模具進行退火處理，然后在失效區域表面整體切除30～40mm后再進行機械加工[8]。然而，這種方法在修復過程中會導致大量模具材料的損耗。在經歷多次這樣的修復后，模具整體可能會出現無法滿足工作要求的缺陷，最終只能被報廢處理。因此，這種修復方式主要適用于輕微損壞且急需修復的模具，而不適合大規模應用。

（2）熱噴涂修復 熱噴涂修復技術主要應用于因為表面磨損所出現的模具失效修復，如圖1所示。該技術是利用等離子或電弧等熱源將粉狀或絲狀金屬材料加熱至熔融或半熔融狀態，然后借助焰流本身或壓縮空氣以一定速度噴射到預處理過的失效模具表面，使液態金屬凝固沉積而形成表面涂層[9，10]。熱噴涂修復技術突破了形狀和合金材料導電性的限制，具有高效的工藝沉積率。這種技術能夠顯著提高模具工作面的顯微硬度和耐磨性，從而延長修復模具的服役壽命。然而，熱噴涂修復技術在應用場景上存在一定的局限性。特別是在修復薄壁或小型模具時，容易出現涂層的熱變形問題。因此，這項技術主要適用于對淺表損傷且內腔形態簡單的大型模具進行修復，其適用范圍相對有限。

圖1 自動化噴涂機器人噴涂發動機缸體[10]

（3）激光增材修復 激光增材修復技術是基于激光粉末沉積技術發展而來的。該技術使用激光束作為熱源，快速熔化粉末狀金屬材料，并將其覆蓋在失效模具的待修復區域。當熔融金屬凝固后，便在待修復區域形成一層具有極低稀釋率的新金屬層[11，12]。該修復技術具有多個顯著優點，包括高能量密度、低熱輸入、高效精準、快速響應和優質成形效果。然而，其也存在一些缺點，如設備成本高和能量輸入不均勻等。因此，目前這項技術主要應用于對精度要求高、性能標準嚴格或尺寸較小的模具修復，如圖2所示。

圖2 激光增材修復示意[12]

（4）電弧增材修復 電弧增材修復技術是基于電弧堆焊技術發展而來的，也是最早應用于模具修復工程的熱增材修復技術，而且應用范圍也極廣[13]。該修復技術的原理是通過電弧設備根據待修復模具的需求，將金屬絲材用電弧熔化后進行逐層堆積、疊加成形，實現對待修復模具的修復填充[14]，如圖3所示。與激光增材修復技術相比，電弧增材修復技術不僅同樣具備高自動化程度，而且具有設備成本低、修復效率高、操作簡便、適用性強及節省焊接材料等優點。但是，由于電弧增材修復技術存在熱輸入較高、熱影響區較大、成形質量難以控制等不足，所以該修復技術不適宜用于精密要求高的模具修復。

圖3 電弧增材修復示意[14]

結合上述常用模具修復方式的特點分析，對于高溫、重載的中大型模具修復需求，電弧增材修復技術的優勢尤為突出。因此，對電弧增材修復技術進行合理研究及推廣對于模具修復領域意義重大[15]。

2.2 電弧增材制造修復方式

模具修復的常用修復技術有冷加工方式和熱加工方式，其中熱加工方式以電弧增材制造為主要修復技術之一。目前，用于模具修復的電弧增材制造技術方式有人工電弧堆焊修復、多軸機床電弧增材修復及多軸機器人電弧增材修復[16]。

（1）人工電弧堆焊修復 該修復方式以人工技術為主導，不僅受高溫惡劣的工作環境限制，還對修復技術的要求較高，因此人力成本偏高。同時，由于其主要修復形式為將待修復模具的腔內以電弧堆焊的方式填充，往往會導致所使用的堆焊材料廢棄率較高，因此人工修復技術整體成本偏高，而且無法保證修復后的模具壽命效果及修復工程效率[17，18]。盡管人工修復技術存在諸多缺點，如高成本、低材料利用率、低修復效率及無法保證修復效果等，但由于國外自動化修復技術的技術壁壘高且引進成本昂貴，國內許多企業仍然采用這種人工修復方案。因此，國內市場對于成本更低、效率更高、材料利用率更優、修復性能更佳的自動化模具修復技術有著迫切需求。自動化和智能化模具修復技術不僅能夠顯著提高修復后模具的使用壽命，還可以減少企業的生產成本，同時符合綠色環保和節能減排的發展趨勢。

（2）多軸機床電弧增材修復 多軸機床電弧增材修復技術是一種基于多軸數控機床電弧增材制造技術的修復方式，在計算機數控系統的控制下，可以在機床上實現多個坐標軸的聯動，一般常用的是控制X、Y、Z軸聯動的三軸機床，通過對坐標軸不同移動方向和速度的控制，實現機床電弧增材制造。河南科技大學韓建等[19]提出了利用可編程控制器控制步進電動機和電焊機，以實現三軸機床進行電弧增材制造的自動化控制；PRADO-CERQUEIRA等[20]提出通過集成冷金屬過渡焊（CMT）焊接設備和三軸數控銑床，開發一種低成本的金屬電弧增材制造系統，其實質是將Fronius的CMT焊接設備配置于三軸機床Optimus上，實現以機床控制CMT電弧增材制造；中國石油大學的馬馳等[21]提出了基于PMAC Clipper、S7 -200Smart PLC、交換機及計算機的電氣控制，將老舊數控銑床改造為電弧增材制造機床（見圖4），目的是能夠實現在增材過程中焊接電流與電弧電壓的同步采集，提高機床電弧增材制造的成形效果。

圖4 機床電弧增材設備構成[21]

多軸機床電弧增材制造修復方式相對于人工電弧堆焊修復方式，在自動化和智能化上有了質的提升，不僅大大減輕了人工作業強度，還大幅度減少了修復工程的成本，提高了模具電弧增材制造修復的效率和質量[22]，但是其存在運動路徑單一和可調整空間局限等缺點，導致該方式在應對具有復雜腔體的模具時會受到極大限制。因此，如何解決焊槍受限問題、保證復雜模具修復效果，是該修復方式的一個極為重要的難點。

（3）多軸機器人電弧增材修復 多軸機器人電弧增材修復技術是利用多軸機器人與電弧增材制造技術相結合，由多軸工業機器人帶動電弧增材制造焊槍在模具的待修復區域進行逐層堆積、累加成形，從而達到修復失效模具的形貌、尺寸和性能。相比于上述的人工電弧堆焊修復和多軸機床電弧增材修復方式，多軸機器人電弧增材修復技術具有高自由度、高靈活度。高控制精度的多軸工業機器人，能夠使電弧增材制造修復技術更具智能化、數字化，且其修復效率和性能效果顯著提高，尤其是面對復雜且不規則的失效模具擁有較大的優勢[23]。武漢理工大學的吳強等[24]利用該校開發的一套機器人電弧增材修復系統對熱鍛模具進行修復，可節省焊接材料30%～40%、節約工作時間50%以上、提高修復效率20%以上，以及降低模具修復成本30%以上。劉德建等[25]提出了采用弧焊機器人結合增材制造技術修復超大型模具的方法（見圖5），通過有限元對模具受力狀態分析，設計了具有梯度結構的焊接修復層，能夠有效解決超大型模具的缺陷修復問題。

圖5 多軸機器人電弧增材[25]

2.3 電弧增材修復應用研究

使用電弧增材制造技術修復模具主要包括3個步驟：獲取工藝參數；進行三維模型的分層切片；規劃沉積路徑。首先，在獲取工藝參數方面，為了更高效和便捷地獲得所需參數，目前主流的方法是通過數字化和智能化技術構建各種預測模型，以實現對工藝參數的智能預測。其次，實現高精度且無缺陷的幾何零件制造的關鍵在于運用三維分層切片算法和編程軟件。這些工具能為特定零件的三維模型生成精確的機器人運動路徑和焊接參數。根據三維分層切片的結果，針對使用材料、工作條件或者成形性能，設計高效率、高精度的自動化沉積路徑規劃和工藝優化，以規避潛在的工藝引起的缺陷。為提高電弧增材模具修復技術的應用可行性，國內外學者通過優化電弧增材制造工藝、優化模具三維結構、集成多種智能化設備等對電弧增材修復技術的工藝及設備不斷進行優化[26]，在保證修復工程的高效率、高質量、低成本及低損耗的基礎上，能夠顯著提高修復后模具的性能和使用壽命。

3 模具電弧增材修復工藝研究

電弧增材制造修復過程主要包括失效模具修復前的預處理、模具修復成形預測及工藝參數優化、三維掃描獲取待修復模具的三維模型、通過布爾運算獲取待填充區域的三維模型、對三維模型進行分層切片、沉積路徑規劃、生成機器人控制程序，以及實現修復區域逐層堆疊的修復填補[27]。其中，最為核心的環節往往是成形預測及工藝參數優化、三維模型的分層切片及沉積路徑的規劃。模具電弧增材修復工藝流程如圖6所示。

圖6 模具電弧增材修復工藝流程

3.1 成形預測及工藝參數優化研究現狀

模具修復中的電弧增材制造是一個涉及多參數耦合的復雜過程。這一過程包含了多個復雜的工藝參數，它們相互耦合并直接影響著增材成形的形貌和效果。因此，研究電弧增材工藝參數與成形形狀之間的關系，以及快速準確地設計最優的電弧增材修復工藝參數，成為提高模具修復質量的關鍵環節。國內外很多研究者對此進行了相關研究，YANG等[28]為獲得表面質量和尺寸精度高的成形零件，建立了工藝參數與微珠幾何形狀之間的數學模型，研究了工藝參數與堆焊層幾何形狀之間的復雜關系；YIN等[29]基于5083鋁合金雙絲CMT焊接的大量數據，采用深度神經網絡技術對焊接工藝參數和焊縫尺寸進行了分析，建立了焊縫成形參數的精確預測模型（見圖7），研究了深度神經網絡在定量分析電弧焊系統從輸入焊接參數到輸出焊縫尺寸等方面的高效率和高精度優勢；趙鵬等[30]基于TIG電弧增材制造平臺，研究了焊接電流、焊接速度、送絲速度對焊道熔寬和余高的影響，建立了BP人工神經網絡，利用遺傳算法對其進行優化得到焊縫尺寸預測模型，其預測性能良好，能較為準確地預測單焊道的尺寸；ROUT等[31]提出一種基于模糊回歸和粒子群優化的混合優化方法，以獲得焊縫強度和尺寸，該方法能夠克服現有優化方法的各種局限性，有效分析各工藝參數和性能參數的模糊性和顯著性；董海等[32]為提升成形零件的尺寸精度，提出一種基于自適應布谷鳥（ACS）算法優化的深度信念神經網絡預測模型ACS-DBN，與現有模型相比，該模型能夠有效映射電弧增材制造焊道尺寸和工藝參數之間的復雜線性關系，并且具有較高的準確性和穩定性。

圖7 深度神經網絡預測模型[29]

上述國內外針對電弧增材制造成形預測及工藝參數優化研究現狀表明，運用各種智能算法可以有效解決在電弧增材過程中工藝參數的尋優問題。但是依然存在以下兩個問題：一是大部分預測模型考慮的輸入工藝參數較少，應該涵蓋大部分電弧增材制造過程中影響成形效果的工藝參數，才可以提高模型的合理性；二是現有模型所用算法大多對于輸入參數的規模具有依賴性，容易因為樣本量過少而導致降低尋優結果的準確性，只有以大量的試驗數據作為支撐，才能夠保證模型的訓練性能。因此，研究一種可以合理、準確、快速且穩定的智能預測模型，對于電弧增材制造的成形預測及工藝參數優化具有巨大的應用前景。

3.2 三維模型分層切片算法研究現狀

模具電弧增材修復技術基于“離散-堆積”原理進行。其中，“離散”主要指的是將三維數字化模型通過不同算法從“體”轉換為“面”，即進行離散切片處理。因此，三維模型的分層切片成為電弧增材修復技術中處理三維模型數據的核心關鍵步驟[33，34]。這一步驟影響著模具修復過程中的變量控制和精度。當前，國內外學者的研究重點主要集中在針對不同三維模型文件格式的切片算法開發、分層切片厚度的設定選取，以及切片效率的優化等方面。針對不同數據結構模型的分層處理，HAN等[35]提出了一種新的基于STEP格式模型的直接切片算法，該算法基于非均勻有理B樣條（NURBS）曲面描述三維模型，采用離散跟蹤算法對NURBS曲面進行分層，解決了CAD模型的直接切片無法解決復雜曲面零件高精度切片的問題；ZHANG等[36]針對STL格式三維模型，提出一種穩定的分層算法，其可以處理具有百萬個具有拓撲信息三角形的高精度STL模型，還可以自動識別外輪廓和內輪廓，大幅提高了分層切片效率；丁華峰等[37]為提高STL模型切片方法的準確性和穩定性，提出一種基于MATLAB的STL文件分層切片算法，能夠快速準確地找到與當前切平面相交的三角面片，運用MATLAB強大的運算能力能夠有效提高切片算法的穩定性和精確性；XU等[38]基于逆向工程獲得的點云模型，提出了點云投影識別的數學建模和處理方法，并引入新的權重函數，考慮了點云偏移距離在切片輪廓繪制中的影響，實現了點云的投影識別和分層輪廓的精確構造（見圖8）；針對近年來由于求解效率高而備受關注的體素化模型切片方法，牛其華[39]研究了應用于電弧增材制造的體素化模型曲面分層方法，提出了體素模型的曲面偏置和基于生長線的曲面切片算法，成形試驗表明，該算法能顯著降低焊接過程中的熱量積累，可弱化“階梯效應”，提高零件表面質量。

圖8 基于點投影的分層輪廓方法[36]

通過國內外對三維模型分層切片算法的研究進展可看出，針對不同三維模型文件格式的分層切片算法研究各具特點，但是追求數據結構穩定、切片方法簡單在未來較長一段時間內仍然是主流研究重點，但是一味針對三維文件模型特質進行切片算法研究，不考慮電弧增材制造實際應用情況，所開發的切片算法容易存在與電弧增材制造系統不兼容等困難，針對適用電弧增材制造系統和成形零件精度控制的切片算法，應該在考慮合適的三維模型格式的基礎上結合電弧增材制造特性研究開發自適應層厚切片算法，為實現模具的電弧增材修復技術提供良好的理論與技術支持。

3.3 沉積路徑規劃方法研究現狀

通過三維模型分層切片處理后得到離散二維截面，針對每一層截面結構、材料性質及成形質量選擇合適的沉積路徑規劃方法，是保證模具修復結果的精度控制和性能質量的核心環節[40]。因此，國內外研究者圍繞二維截面的沉積路徑規劃算法開展了大量研究，主要涉及控制成形質量和沉積速率兩方面。為提高電弧增材制造成形零件的表面質量和強度，方力等[41]提出了一種復合路徑規劃算法，將多種增材制造路徑規劃算法相結合，實現了單空洞截面的填充，減少了空行程，提高了成形效率（見圖9）；針對目前已有的掃描路徑算法的不足，邵坦等[42]在輪廓偏置掃描路徑填充算法和分區掃描路徑填充算法的基礎上提出了一種改良的基于偏置輪廓特征的分區掃描路徑填充算法，在一定程度上改善了成形質量和成形效率；MICHEL等[43]提出一種模塊化路徑規劃解決方案（MPP），旨在將基于特征設計的模塊化融入到傳統的分層策略中，可以根據幾何圖形調整路徑規劃，從而提高復雜幾何構件的成形效率；針對多邊形截面零件的幾何中心和拐角搭接處容易出現孔洞的問題，LIU等[44]提出了一種復合路徑規劃方法和拐角修正策略，由鋸齒路徑和等高線偏置路徑組成的復合路徑，用于填充多邊形截面零件的幾何中心，可解決中心孔洞問題，通過修正外輪廓路徑中的拐角搭接點，實現拐角孔洞問題，從而改善復雜多邊形構件的表面形貌和成形質量；對于復雜表面上的曲面沉積，由于重力作用出現的沉積面凹凸不平的問題，HU等[45]提出了一種基于區域的機器人電弧增材制造路徑規劃方法（CLWAAM），該方法可以在復雜表面的任意區域保持水平焊接位置，最大限度地減少重力的不利影響，保證了沉積面的均勻形貌，可廣泛用于熱鍛模具、水輪葉片等耐磨表面零件的修復和制造。

圖9 電弧增材填充路徑規劃[38]

從國內外研究者對沉積路徑規劃方法的研究現狀來看，對于結構簡單的零件，可以選擇一些固定的沉積路徑規劃方法。然而，對于幾何特征復雜的大型零件，特別是帶有空腔的零件，單一的沉積路徑通常難以有效保證成形的質量和效率。因此，根據具體情況，綜合考慮零件的幾何特征、殘余應力及熱量積累等因素，設計結合多種增材制造路徑的復合路徑規劃方法，對于確保模具電弧增材修復的質量和效率至關重要[46,47]。

4 模具電弧增材修復發展趨勢

隨著模具產業規模的持續增長，行業越來越傾向于追求高精度、高耐蝕性、高耐磨性和長使用周期等特性。這些趨勢導致了模具修復工程量的增加，同時修復的技術要求也在不斷提升。在對比重鑄模具與修復模具的優劣時，修復模具在成本控制和工程效率等方面表現出明顯優勢。因此，發展模具的電弧增材修復技術不僅能為未來模具行業帶來巨大的經濟效益，還擁有廣闊的應用前景。針對面向模具修復的電弧增材修復技術，從提出應用以來，各個方面的研究都取得了很多成果，隨著國內外研究者對該技術的進一步拓展研究，未來的發展趨勢將會向以下幾個方面推進。

1）向預測成形件殘余應力、變形情況以及優化成形路徑的方向發展。在電弧增材修復模具過程中，關于所用金屬材料的性質變化機理的研究主要圍繞成形件的內部性能、微觀組織進行，目前的研究更多是停留在簡單的組織分析和性能規律的描述，比如單層單道、單層多道、單道多層以及多層多道等典型成形構件的組織性能狀態，然而電弧增材制造技術不能只考慮最終成形的靜態結果，對于電弧增材過程中的動態性能變化的研究也尤為重要，因此對電弧增材逐層堆積的過程監測、實時反饋、數據分析等方面的研究將會由一般性規律研究轉為深入研究理論和機理。同時，在電弧增材過程中，由于后一層的熱輸入和前一層的熱積累所形成的一個熱量循環作用，導致每一次沉積都會出現后一層沉積層對前一層沉積進行一次難以避免的回火作用，所以如果不對成形過程中的熱量循環及應力變化進行控制，則會直接影響最終的成形效果。因此，需對電弧增材過程中的溫度場、應力場進行模擬仿真，預測成形件的變形，研究相應的消除殘余應力方式以及成形路徑的優化策略。

2）向研究結合工藝參數與性能評估的預測模型方向發展。研究工藝參數之間的相互作用以及工藝參數對成形結果的影響，一直是國內外學者的研究重點，但是電弧增材制造過程是一個多參數耦合的過程，其中包括焊接電流、焊接電壓、電弧長度、擺動頻率、送絲速度、焊接速度、干伸長及保護氣配比等多種工藝參數，為保證成形質量和精度，不能局限于幾種工藝參數的預測模型研究，應深入剖析輸入參數對輸出參數的影響，確定成形效果對不同工藝參數之間的受影響靈敏度，建立更為全面的工藝參數預測模型，以合理控制顯著影響成形效果的工藝參數。同時為保證模具修復結果的適時性、高效性，還應分析模具修復的精度及力學性能指標，建立模具性能評估體系，結合工藝參數預測模型和模具失效機理分析，建立模具服役壽命和可靠性的預測模型。

3）向一體化、智能化集成設計方向發展。目前，對于三維掃描、模型分層切片、沉積路徑規劃等電弧增材制造技術的各個核心環節都有許多的研究成果，但是缺乏一個高度集成的模具修復電弧增材制造系統。隨著基礎研究及相關領域技術的發展，高度集成的商業設備和配套軟件將會逐漸被推出，結合先進的材料技術、三維數據處理技術、智能控制技術、云計算技術、機器視覺傳感技術，以及各種先進智能技術，將實現從材料、功能、結構、工藝設計到增材成形一體化的高度自動化與智能化電弧增材模具修復流程。

5 結束語

面向模具修復的電弧增材制造修復技術具有諸多優點，對我國模具行業的發展具有極為重要的戰略意義，由于其低成本、高修復效率、低絲材消耗率、短工作時長、少量零件限制及高適應性等特性，特別適合用于中大型模具的大面積失效區域修復。盡管經過多年的發展，國內外在模具修復的電弧增材制造技術方面進行了大量研究，但目前研究多集中于單一環節，缺乏對不同環節先進成果的整合，以實現對電弧增材修復技術的高度集成應用。同時，在模具修復材料、壽命評估、修復精度及性能保證方面仍存在諸多問題待解決。隨著先進制造技術的發展，融合電弧增材制造技術、智能閉環控制技術及精密減材技術的復合形增減材技術，將成為未來制造業的主要發展趨勢。因此，模具修復的電弧增材制造技術未來必將走向多學科交叉、智能化、數字化及并行化制造的道路。