深度：详解等离子弧增材制造技术

来源：西安鑫精合

等离子弧增材制造（PAW，Plasma Arc Weld）由等离子弧作为热源，扫描经由零件分层得到的成型路径，在金属基板上形成一个移动的熔池，将外部填充的金属丝材熔化而成的金属熔滴，不断的送入熔池，通过在成型路径上逐层累积金属材料，实现零件的成型。

等离子弧有两种类型，转移型等离子弧和非转移型等离子弧。非转移型等离子弧电流通过喷嘴流到喷嘴内部的钨极，然后再回到电源。转移型等离子弧的电流从工件穿过喷嘴上的小孔进入钨极，然后再回到电源。等离子弧增材制造设备使用的是混合型，即包含转移型等离子弧和非转移型等离子弧。

等离子弧增材制造工作原理

等离子弧增材成形技术优势
等离子弧增材制造成形的零件由全焊缝金属组成，成分均匀、致密性高，相比铸造工艺制造的零件显微组织和力学性能优异。

等离子弧增材制造成型可实现各种大尺寸金属构件的增材制造以及各种金属构件的修复再制造。相比传统锻件机加工更节约材料，具有低成本、高效率的优势。

相比于激光增材制造的优势
等离子弧增材制造采用丝材作为打印原材料。相对于激光粉末增材，材料利用率更高、成型效率更高。而且丝材制造的成本比粉末的制造成本要小很多。从两种工艺的热源进行对比，等离子弧电源的价格低，维修维护成本低，而激光器的价格及维护成本都很高，对工作环境要求更为严格。

等离子弧增材的材料选择比激光增材范围更广，等离子弧对金属材质不敏感，可以打印对激光反射率高的材料，例如铝合金、铜合金。

相比于其他电弧增材制造的优势
等离子弧是常规电弧的弧柱经由外部拘束的剧烈挤压而成的电弧。MIG焊和TIG焊等常规焊接方法的电弧，只被其本身磁场约束和环境条件的冷却约束，电弧形态相对比较扩展。等离子弧是把电弧正极或者负极内缩进焊枪喷嘴，电弧通过焊枪喷嘴时，其弧柱在喷嘴的约束下不会自由扩展，在弧柱直径方向上被剧烈的挤压得到。熔化极气体保护焊和钨极惰性气体保护焊电弧弧柱发散性高、热量不集中以及电弧挺度差，导致的成型差及性能不稳定等缺点。而等离子弧的热量集中，挺度好，电弧稳定，成型体性能优良且稳定。

与熔化极气体保护焊增材相比，等离子弧增材过程中飞溅更小，可独立控制热源和送丝系统，对于工艺调整更加方便。

等离子弧增材可用的材料种类多，包括钛合金，不锈钢，铝，高温合金等。

等离子弧增材制造成型试块

设备优势
等离子弧增材设备采用侧向送丝工艺，其成型过程中焊接电流、送丝速度可单独控制，在成型不同材料时，工艺参数可选择性更多。

等离子弧增材设备尺寸支持定制，可实现各种大尺寸金属构件的增材制造以及各种金属构件的修复再制造。具有设备成本低、容易改装、沉积速率高、节约原材料、不受尺寸限制和易于实时修复等诸多优点。

等离子弧增材制造设备

西安鑫精合自主研发的TSC-P-WAAM等离子弧增材设备主要由龙门三轴运动机构（X、Y、Z轴）、数控控制系统、焊接电源、等离子弧焊枪、万向旋转送丝装置（A轴）、弧长跟踪系统、变位机（B、C轴）和密封舱组成。

等离子弧增材采用的是弧外侧向送丝，目前市面上等离子弧增材设备的送丝夹具固定在焊枪上，无法跟随焊枪移动方向的改变而改变送丝方向。西安鑫精合实现了在前侧向送丝，解决了送丝方向与成型方向不同而导致的成型缺陷，保证了各方向打印同性。

为了实现等离子弧增材制造智能化，西安鑫精合联合总公司软件部自主开发了AMSlicerPro等离子弧打印剖分软件，实现四轴程序自动剖分，打印过程中可以始终保持在前侧向送丝。该软件支持成形工艺参数自定义，分区、层厚、路径轨迹、送丝速度、焊接速度、焊接电流等参数均可自主设定。