焊接方法如何革新3d打印技术（焊接方法如何革新3d打印模型）

自20 世纪初以来，焊接一直是制造业不可或缺的一部分。电气技术的发展使得最常见的电弧焊方法（TIG、MIG 和焊条焊）广泛应用于各个行业。所有三种电弧焊方法都依赖消耗性或非消耗性电极，通过沉积熔融金属或熔化目标金属本身来连接金属。电弧焊用于汽车、建筑和航空航天工业。

图1. 棒材焊接示意图： 1. 涂层流程； 2. 杆； 3、保护气体； 4、融合； 5、贱金属； 6、焊缝金属； 7.固化炉渣。图像可在公共领域获得。

然而，增材制造(AM) 是一项较年轻的技术。尽管早期技术是在20 世纪70 年代和80 年代开发的，但3D 打印的潜力直到2010 年代才完全实现。最初，3D 打印仅用于创建原型或低保真模型，但现已发展到制造各种医疗级零件。

焊接和增材制造在主题上相似。 MIG 焊接与3D 打印特别相似，因为金属电极是在焊接时沉积的。事实上，MIG 焊接已被用于通过逐层沉积金属来增材制造金属物体。

在本文中，我们将讨论焊接技术如何为3D 打印领域提供信息、改进和创新。

控制3D 打印的微观结构

对于焊接来说，控制熔合区的微观结构对于形成良好的焊缝至关重要。不期望的微结构的形成会降低机械阻力和/或导致不期望的各向异性。在焊接时微调结构的方法有多种，其中一些可以转移到3D 打印。

焊接微观结构可以通过热源控制、化学成分和焊接参数校准来控制。热源控制对于焊接和3D 打印都至关重要，因为它直接影响沉积和/或熔化的材料量。热源可以是脉冲的或连续的，并且可以电子控制几个不同的参数。如果是脉冲，则可以控制脉冲的幅度、频率和占空比。

图2. 将脉冲焊接电压的占空比从50% 增加到75%。

这些参数直接传输至3D 打印。沉积塑料或金属的喷嘴也可以进行电子控制，因此可以微调振幅、频率和占空比，以实现更好的材料沉积。与手动焊接相比，3D 打印中热源的移动速度也可以更精确地调节，所有这些参数的相互作用对于良好的打印至关重要。

在焊接中，电极、气体和填充物的化学成分都很关键。事实上，一些活性金属，例如铝和钛，无法使用某些方法进行焊接。调整操作程序也会影响最终结果。焊接功率、速度和冷却必须仔细设计。这些参数中的每一个都会影响熔合区的微观结构如何熔化和凝固。

同样，对于增材制造，塑料或金属化学的选择也至关重要。一些聚合物或合金可能无法打印，而另一些聚合物或合金可能太软而无法在打印时保持其结构完整性。此外，喷嘴的移动和加热必须针对不同的材料进行调整，这些设置将影响最终产品的结构性能。

图3. 更改单个3D 打印工艺参数（晶格厚度）可能会导致显着的性能差异。图片由维基媒体提供。

参数优化

作者奥利维拉等人。讨论了确定AM 参数的严格数学框架。在他们的论文中，他们讨论了如何优化功率、移动速度和孵化距离等工艺参数。每个参数没有最优值，而是存在一个最优参数空间，其中不同的参数组合可以产生相同的无缺陷结果。例如，降低功率和移动速度将使热量输入率保持恒定。

奥利维拉等人。还讨论了确定3D 打印一些关键量的三个不同标准，即填充距离和熔化半径。填充距离可以通过基于熔体半径的“几何准则”导出，并且熔体半径可以通过能量准则或热准则来确定。他们在推导这些标准时满足了他们的假设，并提供了实验值的图表。

要点

焊接和增材制造是姊妹技术。焊接有着悠久的历史，因此随着焊接技术的不断发展，我们可以将一些经验教训转移到3D打印中，以避免重复同样的错误。特别是，焊接/打印部位的微观结构对最终产品至关重要，因此在调整所有相关参数（例如功率、运动和化学成分）时必须非常小心。

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