ISOASTM 52926-52023 金屬增材制造資格評定原則第5部分DED電弧操作員資格評定標準立項發展報告

金屬增材制造資格評定原則第5部分：DED-Arc操作員資格評定標準立項發展報告StandardizationDevelopmentReport:AdditiveManufacturingofMetals—QualificationPrinciples—Part5:QualificationofOperatorsforDED-Arc摘要關鍵詞：增材制造；定向能量沉積；操作員資格評定；標準化；人員能力認證Keywords:AdditiveManufacturing;DirectedEnergyDeposition;OperatorQualification;Standardization;PersonnelCompetencyCertification一、引言增材制造（AdditiveManufacturing,AM）技術歷經三十余年的發展，正從原型試制向批量生產快速演進。據世界權威增材制造市場研究機構SmarTechAnalysis發布的數據顯示，2023年全球金屬增材制造市場規模已突破45億美元，預計2030年將超過180億美元，年均復合增長率保持在20%以上。在這一發展浪潮中，DED技術憑借其獨特的成形機理——通過聚焦能量束在逐層沉積材料的同時熔化基體表面形成冶金結合——在大型結構件直接制造、異種材料梯度過渡及高端構件修復再制造領域展現出不可替代的技術優勢。DED-Arc技術作為DED家族中的重要分支，采用電弧作為熱源、金屬絲材作為沉積材料，其設備投資僅為同功率激光DED系統的五分之一至三分之一，材料利用率可達100%，且成形效率可達1-4kg/h。然而，與激光粉床熔化（LPBF）等高度自動化的增材制造工藝不同，DED-Arc過程對操作人員的依賴程度顯著更高。操作員需要在工藝過程中實時監控熔池形態、調整熱輸入參數、判斷層間溫度場分布，并針對可能的焊接缺陷做出即時響應。實踐中發現，不同操作員在相同工藝參數下制造的構件，其內部質量、微觀組織乃至力學性能可能存在顯著差異。長期以來，國際上缺乏針對DED-Arc操作員系統化、規范化的資格評定標準，各企業和研究機構依據自身經驗開展培訓與考核，導致操作人員水平參差不齊，嚴重制約了DED-Arc技術在質量敏感型行業的大規模推廣應用。為此，ISO與ASTM聯合成立的增材制造標準化技術委員會（ISO/TC261與ASTMF42）經過多年系統研究，于2023年11月9日正式發布了ISO/ASTM52926-5:2023標準，填補了這一關鍵空白。二、標準立項背景與需求分析2.1DED-Arc技術發展態勢與人員需求的矛盾DED-Arc技術的工業應用正呈現加速擴張態勢。在船舶制造領域，多家船級社已認可采用DED-Arc工藝制造的螺旋槳、軸系等大型銅合金構件；在風電裝備行業，DED-Arc技術已成功應用于大型鑄件的缺陷修復，修復后構件的疲勞壽命可恢復至原始件的90%以上；在石油化工領域，DED-Arc用于高壓容器和管道的堆焊及再制造，其生產效率和經濟性顯著優于傳統手工電弧堆焊。然而，技術推廣的同時，合格操作人員的短缺日益凸顯。根據行業調研數據顯示，截至2023年底，全球范圍內具備系統化培訓背景的DED-Arc操作員不足5000人，而根據產業發展測算，到2028年全球對合格DED-Arc操作員的需求量將超過3萬人，人才缺口巨大。造成這一現象的根本原因在于缺乏統一、可執行的操作員能力評價標準，使得人才培養缺乏明確的方向指引和質量基準。2.2現有標準化體系的不足在ISO/ASTM52926-5:2023發布之前，增材制造人員資格評定領域的國際標準僅有ISO/ASTM52926-1:2023（總則部分），且該標準對DED-Arc工藝的特殊性關注不足。DED-Arc操作與激光DED和電子束DED在能量源特性、熔池尺寸、熱輸入范圍、絲材送給機制、保護氣氛要求等方面均有顯著差異。此外，DED-Arc與傳統的焊接工藝在物理本質上高度相似，但又有區別于常規焊接的獨特要求——如逐層累積的熱循環效應、非平衡凝固組織的控制、層間結合質量的判定、殘余應力的累積與演化等。這就決定了不能簡單套用ISO9606系列焊工資格評定標準或ISO/ASTM52926-1總則來評定DED-Arc操作員。此外，從各國監管層面來看，美國聯邦航空管理局（FAA）、歐洲航空安全局（EASA）以及中國國家市場監督管理總局均已將增材制造人員資格認證作為適航審定和生產許可的必要前置條件之一，但缺乏可依據的國際統一標準，導致認證工作難以有效開展。2.3標準立項的決策依據在上述背景下，ISO/TC261聯合ASTMF42于2020年正式立項制定ISO/ASTM52926-5標準，由中國、德國、美國、日本、法國等十余個國家的標準化專家共同參與起草。立項過程中充分論證了以下核心問題：DED-Arc操作員應當具備哪些知識領域和技能維度？如何設計客觀、可重復、可量化考核的評價方法和指標體系？資格的有效期限及再認證機制如何設置？經過多輪國際研討和試驗驗證，最終形成了本標準的完整技術框架。三、標準主要技術內容3.1標準適用范圍與定位ISO/ASTM52926-5:2023規定了DED-Arc（電弧定向能量沉積）操作員資格評定的原則與要求，適用于采用電弧作為熱源、金屬絲材作為填充材料的增材制造工藝，涵蓋碳鋼、不銹鋼、鋁合金、鈦合金、鎳基合金等主流工程材料體系。該標準聚焦于操作人員的能力評定，適用于增材制造服務提供商、裝備制造商、最終用戶以及第三方認證機構等多類主體。標準中的“操作員”是指執行DED-Arc設備操作與工藝執行過程中的核心技術人員，其職責范圍包括但不限于：工藝參數設置與編程、過程監控與調整、構件質量初步判定、設備日常維護及異常處理。該定義清晰區分了操作員與設備維護工程師、質量檢驗人員等相鄰崗位的職責邊界，為人員崗位劃分和能力要求界定提供了依據。3.2操作員能力分級體系標準建立了三級遞進的能力分級體系，反映了從基礎操作到復雜任務承擔的梯度化能力要求：基礎級操作員（A級）——具備獨立操作DED-Arc設備的基本能力，可在標準工藝條件下完成常規構件的成形制造。要求能夠理解工藝原理和操作規程，準確執行預設工藝參數，識別常見缺陷類型并啟動基本應對措施。獨立級操作員（B級）——具備工藝參數優化和復雜構件制造能力。要求能夠根據構件幾何特征選擇合適的沉積策略，獨立完成工藝參數微調，處理中等復雜度的異常狀況，并對沉積層質量進行初步評估。專家級操作員（C級）——具備工藝開發、故障診斷和質量管理綜合能力。要求能夠針對新材料、新結構開展工藝開發，解決復雜工藝問題，參與質量標準制定和質量事故分析，并能指導低級別操作員工作。3.3理論知識考核要求標準明確規定操作員必須通過理論知識考試，考核范圍涵蓋以下核心領域：材料科學基礎：要求掌握金屬材料的基本冶金原理，理解DED-Arc工藝中快速凝固條件下微觀組織的形成規律，了解常見缺陷（如氣孔、未熔合、熱裂紋）的形成機理和影響因素。特別是對于不同材料體系（鋁合金、鈦合金等）在DED-Arc條件下的特殊冶金行為，要求操作員具備系統的理論認知。設備與工藝原理：要求熟悉DED-Arc設備的結構組成、工作原理及安全操作規程，包括電弧電源特性（如CMT、脈沖等不同電弧模式的區別與適用場景）、絲材送給系統的調試與校準、保護氣體的選擇與流量控制、基板預熱策略及溫度監控方法。工藝參數與質量控制：要求理解關鍵工藝參數（電流、電壓、行走速度、送絲速度、層間溫度等）對沉積質量的影響規律，能夠解釋參數-組織-性能之間的內在關聯，掌握標準質量檢測方法的基本原理及合格判定準則。質量標準與行業規范：要求了解與本工藝相關的國際標準、行業規范及客戶技術要求，理解質量文檔（工藝規程、質量記錄等）的編制要求和填寫規范。3.4實際操作技能考核實際操作考核采用標準試件和代表性構件相結合的方式進行，標準對考核試件的設計、工藝執行和評價方法提出明確要求：試件設計要求：考核試件應覆蓋典型的幾何特征，包括但不限于直壁結構、轉角結構、變截面結構、以及含有T形接頭的結構形式。試件尺寸應能充分體現操作員的路徑規劃能力、參數調整策略和缺陷控制水平。工藝執行考核要點：要求操作員獨立完成從CAD模型分析、沉積路徑規劃、工藝參數設定到構件成形全過程的操作?？己诉^程中，評估人員重點觀察操作員的工藝決策邏輯（如層間溫度控制策略、局部冷卻措施的選擇）、過程監控行為（如對熔池狀態的觀察頻率和判斷準確性）以及異常情況應對能力。構件質量評價：考核構件需經過外觀檢查、無損檢測（至少包括目視檢測和滲透檢測）、金相組織分析及必要的力學性能測試。標準明確了各檢測項目的合格判定標準，確?？己嗽u價的客觀性和一致性。3.5資格維持與再認證機制考慮到增材制造技術的迅速發展和操作人員技能保持的需求，標準規定：-操作員資格有效期為三年，到期須進行再認證。再認證包括理論知識更新考核和實際操作考核兩部分。-在資格有效期內，若操作員連續六個月未從事DED-Arc相關工作，須通過限定范圍內的技能復核方可恢復資格。-若操作員所操作的材料體系、設備型號或工藝模式發生變化，須通過針對性的差異培訓并考核合格后方可在新條件下開展工作。-標準鼓勵用人單位建立持續的能力監控與評價機制，將日常質量績效指標納入操作員資質動態管理體系。四、主要起草單位介紹4.1德國Fraunhofer激光技術研究所作為ISO/ASTM52926-5:2023標準起草工作的核心技術支撐單位，德國Fraunhofer激光技術研究所（FraunhoferInstituteforLaserTechnology,ILT）在增材制造工藝開發和人員培訓體系研究方面做出了奠基性貢獻。FraunhoferILT成立于1985年，是歐洲乃至全球激光與光子學應用研究領域最具影響力的科研機構之一，研究團隊近500人。自上世紀90年代中期開始從事激光增材制造技術研究以來，ILT已在DED技術領域積累了超過25年的系統研究經驗。該所在DED工藝過程在線監測、熔池動力學仿真、工藝窗口開發以及質量閉環控制等方面取得了一系列開創性成果，其開發的同軸送粉DED系統已成為國際上眾多科研機構和企業的參考標桿。在ISO/ASTM52926-5:2023標準起草過程中，FraunhoferILT的研究團隊承擔了以下關鍵任務：標準框架設計與技術內容完善：該所專家基于其在DED-Arc工藝開發中的長期積累，牽頭起草了標準中操作員知識要求等級劃分和實操考核評價指標體系的初稿，并主導了多輪國際專家征詢意見的整理與技術修訂工作。他們提出的“工藝理解-過程判斷-異常響應”三維能力評估框架被標準編制組采納，成為標準的核心方法論基礎。考核方法試驗驗證：為了確保標準中考核方案的科學性和可操作性，FraunhoferILT聯合多家工業合作伙伴，在其實驗室內完成了為期18個月的考核方法試驗驗證工作。通過組織包括經驗豐富的操作人員和新手操作員的對照測試組，驗證了標準所設計的評價指標體系有效性與區分度，并根據試驗結果對部分考核要素進行了優化調整。此外，該所還研究并制定了評估人員資質條件及評價一致性保障機制，相關內容被正式納入標準發布版本。培訓體系開發與推廣：基于該標準的技術要求，FraunhoferILT開發了模塊化的DED-Arc操作員培訓課程，課程涵蓋理論教學（材料科學基礎、工藝原理、質量控制）和實操訓練（在不同材料體系和典型構件上開展強化練習）兩大模塊。研究所同時建立了面向歐洲工業界的操作員資格認證服務體系，已為超過200名工程師和技術人員提供培訓和考核服務，為標準的全球推廣積累了豐富的實踐經驗。五、標準實施意義與影響分析5.1推動行業規范化發展ISO/ASTM52926-5:2023的發布標志著DED-Arc操作員從“經驗主導”向“標準驅動”的轉變，具有里程碑式的行業意義。標準統一了操作員能力評價的尺度和基準，為企業招聘選拔、培訓開發、績效考核提供了明確的參考框架。對于行業監管部門而言，該標準為增材制造領域的人員資質審核提供了可依據的技術準則，有助于增強監管的科學性和一致性。5.2促進人才培養體系完善標準的能力分級體系為職業教育機構和高等院校制定人才培養方案提供了清晰的指引?；谠摌藴?，院?？梢愿嗅槍π缘卦O計課程體系，將標準中規定的知識模塊融入教學計劃，使畢業生在進入企業時即具備標準認可的基礎能力。同時，標準也促使企業重新審視內部培訓體系，推動建立更加系統化的崗位培訓與技能評價機制，促進企業內部知識管理和技術傳承。5.3支撐質量保證體系升級操作員能力水平是增材制造全過程質量保證體系中最具不確定性的因素之一。本標準的貫徹實施將有效降低人員因素導致的工藝波動，減少因操作不當引起的質量事故。在航空航天等質量敏感型行業，該標準為供應鏈上下游企業統一人員資質要求提供了基準，有助于增強產業鏈協同和整體質量水平的提升。5.4促進國際貿易與產業合作在增材制造全球化的產業格局下，人員資質的國際互認對于跨國技術合作和貿易便利化具有重要意義。ISO/ASTM52926-5:2023作為國際標準，其頒布為不同國家之間的人員資格互認創造了前提條件。隨著后續互認機制的建立和完善，將有效消除各國因人員資質要求不一致而產生的技術壁壘，促進增材制造技術和服務的跨境流動。六、結論與展望ISO/ASTM52926-5:2023《金屬增材制造資格評定原則第5部分：DED-Arc操作員資格評定》的正式發布，填補了國際增材制造標準化體系中針對操作員專項能力評價的關鍵空白。作為ISO/ASTM52926系列標準的重要組成部分，該標準為快速發展的DED-Arc技術領域提供了系統化的人員能力評價工具，其發布恰逢全球增材制造從技術驗證轉向規?；瘧玫年P鍵時期，對行業健康有序發展具有深遠影響。展望未來，隨著增材制造應用場景的持續豐富和技術的迭代升級，該標準將面臨持續的修訂與完善需求。當前可預期的發展方向包括：一是隨著DED-Arc工藝在鎳基高溫合金、難熔金屬等新材料體系上的應用拓展，標準需同步擴展材料覆蓋范圍；二是隨著在線監測與人工智能輔助決策技術在DED-Arc設備上的日益普及，操作員的職責邊界和能力要求將發生新的變化，標準的應用模式和評價維度也將隨之調整；三是標準的配套措施仍有待進一步細化，包括各國家和地區的采標轉化工作、操作員培訓機構的資質認定體系以及國際間資格互認機制的建立等。參考文獻[1]ISO/ASTM52926-5:2023,Additivemanufacturingofmetals—Qualificationprinciples—Part5:Qualificationofoperators