电弧增材制造技术正在彻底变革金属部件的生产方式。与传统的加工方法或成形工艺相比，这种技术通常更加灵活，特别是在处理需要大量加工的复杂几何形状时，其优势尤为明显。北美已经推出了金属3D打印的标准，而欧洲也在制定适用于增材制造的非燃性压力容器的标准，这标志着电弧增材制造技术在全球范围内的认可和应用正在不断扩大。伏能士参与了欧洲增材制造部件和压力设备标准的制定，积极推动焊接技术的进步与制造业生产方式的变革。
作为德国标准化学会（DIN）增材制造联合工作组的委员之一，伏能士与MIGAL.CO、林德工程和TÜV南德工业服务有限公司合作，对增材制造部件进行了模型验证。该工作组评估了草案标准prEN 13445-14对非燃压力容器部件的适用性。
Martin Lohr 和 Kati Schatz 博士，来自林德工程
参与合作伙伴利用各自领域的专业知识，在各自的地点进行了材料鉴定、设计评审、工艺鉴定、增材制造、部件和压力试验，以及整个工艺链的完整文档记录，最终制定了一份具有约束力的增材制造程序规范 (AMPS)，本文将详细解析模型验证涉及的的关键步骤与成果。
01
设计部件与工艺选择
支管形状压力容器的有限元模型 (FEM)
根据设计模板，支管（即增材应用区域直到短管）是在一个传统制造的中心管上成形的，并为此预留了相应的开口。这种结构被称为混合部件，因为要焊接的基材会与压力容器融为一体。林德工程公司选择铝作为材料，因为即使在低至零下273摄氏度的极端低温条件下，铝仍能保持卓越的韧性。然而，焊接这种材料并非易事。挑战不仅在于选择合适的工艺和参数，还在于挑选合适的填充材料。
设计结果：中心管为 8 mm，从中心管到支管的过渡部分为 14 mm，支管为 5 mm
填充材料在电弧增材技术中起着关键作用，其直径和化学成分都需要严格控制，以尽可能降低氢含量。此外，焊丝必须无杂质，并且整齐地卷绕在焊丝盘上，以确保制造过程的顺畅。
MIGAL.CO 公司正在进行焊丝制造
电弧增材制造工艺的选择标准
— 高熔敷效率
— 降低热输入，避免或尽量减少冷却要求和变形
— 确保与母材连接时没有融合缺陷
— 不受焊枪与部件之间距离变化的影响
— 在熔敷工艺的合格限度内，材料的高质量可以复现
— 适用于制造大型部件
基于上述要求，CMT 冷金属过渡工艺是增材制造的理想之选。具体来说，CMT Mix工艺用于第一焊接层，CMT Additive Pro 工艺则用于后续的壁堆焊。功率校正和熔敷稳定器功能的应用能够精确控制功率输入，进而精确控制焊缝的高度和宽度。
伏能士全新焊接特性曲线，为电弧增材制造而生！
02
验证工艺
由于中心管到支管过渡部分存在不同的壁厚，根据prEN 13445-14标准，需要进行三个不同的工艺评定（DPQR）。最终的熔敷工艺规范（DPS）对增材焊接工艺具有指导性约束力。除了焊接指南，材料认证和操作员资格也是确保增材制造部件产品质量达到一致标准的关键因素。
在 TÜV 南德工业进行的着色渗透试验
工作组成员对单个测试样品进行了非破坏性试验和破坏性试验。采用视觉和尺寸测试（VT）、体积测试（RT-D）和表面测试（PT）作为非破坏性试验方法，以证明零件的内外均无缺陷。
我们通过检查化学成分，并进行垂直于熔敷焊接层方向的拉伸和弯曲试验，来证明增材制造材料和混合连接的技术要求得到了满足。随后，我们在起始点、终端位置和混合连接处进行了金相分析，其主要目的是验证从参数监测以及机械、技术和非破坏性试验中收集的数据。通过取样，我们可以深入了解材料和制造工艺的紧密结合程度。
—— TÜV 南德公司
Martin Boche
03
机器人路径的规划与模拟
焊接层堆积和焊接顺序的模拟
使用伏能士开发的计算机辅助制造 (CAM) 软件中进行三维建模，我们可以精确规划机器人焊接任务的路径。通过输入层高、位置、速度和堆焊策略等参数，软件能够计算并提出建议的增材堆焊方案，即实际的焊接程序。焊接路径可以在软件中模拟的机器人焊接单元里进行可视化展示，确保焊接任务的精确执行。
04
制造部件与参数监测
支管的不同壁厚是通过不同的摆幅来实现的。为了确保焊道之间的最佳焊趾和均匀的层间结构，保持恒定的热平衡至关重要。因此，我们采用了具有特定参数的分层焊接任务。
压力试验，林德工程
在焊接过程中，部件需要供水和回水系统。产生的水位必须远离焊接点，以维持合格区域内的层间温度，从而实现连续焊接，无需冷却中断。这样做可以最大限度地减少部件冷却带来的变形，并提高熔敷效率。
WeldCube 焊接数据管理软件负责监控增材制造程序规范（AMPS）中规定的参数限值，并在任何参数超过预设限值时立即发出警告。通过监控所有参数，我们可以得到增材制作过程的“指纹”，这有助于在出现不连续性的情况下进行分析和调整。
05
最终部件测试及未来展望
带增材制造支管并贴有 CE 标签的压力容器
最终测试，包括CE标识确认，由TÜV南德工业服务有限公司的0036号认证机构执行。本案例使用未来统一的欧洲标准中的机械数据作为起始材料，并对属于设计类别DC1的部件进行检查，检查范围符合下表的规定：
凭借几十年的电弧焊接经验和伏能士 CMT Additive Pro 的创新稳定工艺，我们有充分的理由相信电弧增材技术在工厂和容器建造领域的应用将越来越广泛。这种技术在拓扑优化、制造耗时和供应商独立性等方面的竞争优势尤为明显。
——伏能士研究与开发部门
Manfred Schörghuber
