ISOASTM 52926-52023 金属增材制造资格评定原则第5部分DED电弧操作员资格评定标准立项发展报告

金属增材制造资格评定原则第5部分：DED-Arc操作员资格评定标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:AdditiveManufacturingofMetals—QualificationPrinciples—Part5:QualificationofOperatorsforDED-Arc摘要关键词：增材制造；定向能量沉积；操作员资格评定；标准化；人员能力认证Keywords:AdditiveManufacturing;DirectedEnergyDeposition;OperatorQualification;Standardization;PersonnelCompetencyCertification一、引言增材制造（AdditiveManufacturing,AM）技术历经三十余年的发展，正从原型试制向批量生产快速演进。据世界权威增材制造市场研究机构SmarTechAnalysis发布的数据显示，2023年全球金属增材制造市场规模已突破45亿美元，预计2030年将超过180亿美元，年均复合增长率保持在20%以上。在这一发展浪潮中，DED技术凭借其独特的成形机理——通过聚焦能量束在逐层沉积材料的同时熔化基体表面形成冶金结合——在大型结构件直接制造、异种材料梯度过渡及高端构件修复再制造领域展现出不可替代的技术优势。DED-Arc技术作为DED家族中的重要分支，采用电弧作为热源、金属丝材作为沉积材料，其设备投资仅为同功率激光DED系统的五分之一至三分之一，材料利用率可达100%，且成形效率可达1-4kg/h。然而，与激光粉床熔化（LPBF）等高度自动化的增材制造工艺不同，DED-Arc过程对操作人员的依赖程度显著更高。操作员需要在工艺过程中实时监控熔池形态、调整热输入参数、判断层间温度场分布，并针对可能的焊接缺陷做出即时响应。实践中发现，不同操作员在相同工艺参数下制造的构件，其内部质量、微观组织乃至力学性能可能存在显著差异。长期以来，国际上缺乏针对DED-Arc操作员系统化、规范化的资格评定标准，各企业和研究机构依据自身经验开展培训与考核，导致操作人员水平参差不齐，严重制约了DED-Arc技术在质量敏感型行业的大规模推广应用。为此，ISO与ASTM联合成立的增材制造标准化技术委员会（ISO/TC261与ASTMF42）经过多年系统研究，于2023年11月9日正式发布了ISO/ASTM52926-5:2023标准，填补了这一关键空白。二、标准立项背景与需求分析2.1DED-Arc技术发展态势与人员需求的矛盾DED-Arc技术的工业应用正呈现加速扩张态势。在船舶制造领域，多家船级社已认可采用DED-Arc工艺制造的螺旋桨、轴系等大型铜合金构件；在风电装备行业，DED-Arc技术已成功应用于大型铸件的缺陷修复，修复后构件的疲劳寿命可恢复至原始件的90%以上；在石油化工领域，DED-Arc用于高压容器和管道的堆焊及再制造，其生产效率和经济性显著优于传统手工电弧堆焊。然而，技术推广的同时，合格操作人员的短缺日益凸显。根据行业调研数据显示，截至2023年底，全球范围内具备系统化培训背景的DED-Arc操作员不足5000人，而根据产业发展测算，到2028年全球对合格DED-Arc操作员的需求量将超过3万人，人才缺口巨大。造成这一现象的根本原因在于缺乏统一、可执行的操作员能力评价标准，使得人才培养缺乏明确的方向指引和质量基准。2.2现有标准化体系的不足在ISO/ASTM52926-5:2023发布之前，增材制造人员资格评定领域的国际标准仅有ISO/ASTM52926-1:2023（总则部分），且该标准对DED-Arc工艺的特殊性关注不足。DED-Arc操作与激光DED和电子束DED在能量源特性、熔池尺寸、热输入范围、丝材送给机制、保护气氛要求等方面均有显著差异。此外，DED-Arc与传统的焊接工艺在物理本质上高度相似，但又有区别于常规焊接的独特要求——如逐层累积的热循环效应、非平衡凝固组织的控制、层间结合质量的判定、残余应力的累积与演化等。这就决定了不能简单套用ISO9606系列焊工资格评定标准或ISO/ASTM52926-1总则来评定DED-Arc操作员。此外，从各国监管层面来看，美国联邦航空管理局（FAA）、欧洲航空安全局（EASA）以及中国国家市场监督管理总局均已将增材制造人员资格认证作为适航审定和生产许可的必要前置条件之一，但缺乏可依据的国际统一标准，导致认证工作难以有效开展。2.3标准立项的决策依据在上述背景下，ISO/TC261联合ASTMF42于2020年正式立项制定ISO/ASTM52926-5标准，由中国、德国、美国、日本、法国等十余个国家的标准化专家共同参与起草。立项过程中充分论证了以下核心问题：DED-Arc操作员应当具备哪些知识领域和技能维度？如何设计客观、可重复、可量化考核的评价方法和指标体系？资格的有效期限及再认证机制如何设置？经过多轮国际研讨和试验验证，最终形成了本标准的完整技术框架。三、标准主要技术内容3.1标准适用范围与定位ISO/ASTM52926-5:2023规定了DED-Arc（电弧定向能量沉积）操作员资格评定的原则与要求，适用于采用电弧作为热源、金属丝材作为填充材料的增材制造工艺，涵盖碳钢、不锈钢、铝合金、钛合金、镍基合金等主流工程材料体系。该标准聚焦于操作人员的能力评定，适用于增材制造服务提供商、装备制造商、最终用户以及第三方认证机构等多类主体。标准中的“操作员”是指执行DED-Arc设备操作与工艺执行过程中的核心技术人员，其职责范围包括但不限于：工艺参数设置与编程、过程监控与调整、构件质量初步判定、设备日常维护及异常处理。该定义清晰区分了操作员与设备维护工程师、质量检验人员等相邻岗位的职责边界，为人员岗位划分和能力要求界定提供了依据。3.2操作员能力分级体系标准建立了三级递进的能力分级体系，反映了从基础操作到复杂任务承担的梯度化能力要求：基础级操作员（A级）——具备独立操作DED-Arc设备的基本能力，可在标准工艺条件下完成常规构件的成形制造。要求能够理解工艺原理和操作规程，准确执行预设工艺参数，识别常见缺陷类型并启动基本应对措施。独立级操作员（B级）——具备工艺参数优化和复杂构件制造能力。要求能够根据构件几何特征选择合适的沉积策略，独立完成工艺参数微调，处理中等复杂度的异常状况，并对沉积层质量进行初步评估。专家级操作员（C级）——具备工艺开发、故障诊断和质量管理综合能力。要求能够针对新材料、新结构开展工艺开发，解决复杂工艺问题，参与质量标准制定和质量事故分析，并能指导低级别操作员工作。3.3理论知识考核要求标准明确规定操作员必须通过理论知识考试，考核范围涵盖以下核心领域：材料科学基础：要求掌握金属材料的基本冶金原理，理解DED-Arc工艺中快速凝固条件下微观组织的形成规律，了解常见缺陷（如气孔、未熔合、热裂纹）的形成机理和影响因素。特别是对于不同材料体系（铝合金、钛合金等）在DED-Arc条件下的特殊冶金行为，要求操作员具备系统的理论认知。设备与工艺原理：要求熟悉DED-Arc设备的结构组成、工作原理及安全操作规程，包括电弧电源特性（如CMT、脉冲等不同电弧模式的区别与适用场景）、丝材送给系统的调试与校准、保护气体的选择与流量控制、基板预热策略及温度监控方法。工艺参数与质量控制：要求理解关键工艺参数（电流、电压、行走速度、送丝速度、层间温度等）对沉积质量的影响规律，能够解释参数-组织-性能之间的内在关联，掌握标准质量检测方法的基本原理及合格判定准则。质量标准与行业规范：要求了解与本工艺相关的国际标准、行业规范及客户技术要求，理解质量文档（工艺规程、质量记录等）的编制要求和填写规范。3.4实际操作技能考核实际操作考核采用标准试件和代表性构件相结合的方式进行，标准对考核试件的设计、工艺执行和评价方法提出明确要求：试件设计要求：考核试件应覆盖典型的几何特征，包括但不限于直壁结构、转角结构、变截面结构、以及含有T形接头的结构形式。试件尺寸应能充分体现操作员的路径规划能力、参数调整策略和缺陷控制水平。工艺执行考核要点：要求操作员独立完成从CAD模型分析、沉积路径规划、工艺参数设定到构件成形全过程的操作。考核过程中，评估人员重点观察操作员的工艺决策逻辑（如层间温度控制策略、局部冷却措施的选择）、过程监控行为（如对熔池状态的观察频率和判断准确性）以及异常情况应对能力。构件质量评价：考核构件需经过外观检查、无损检测（至少包括目视检测和渗透检测）、金相组织分析及必要的力学性能测试。标准明确了各检测项目的合格判定标准，确保考核评价的客观性和一致性。3.5资格维持与再认证机制考虑到增材制造技术的迅速发展和操作人员技能保持的需求，标准规定：-操作员资格有效期为三年，到期须进行再认证。再认证包括理论知识更新考核和实际操作考核两部分。-在资格有效期内，若操作员连续六个月未从事DED-Arc相关工作，须通过限定范围内的技能复核方可恢复资格。-若操作员所操作的材料体系、设备型号或工艺模式发生变化，须通过针对性的差异培训并考核合格后方可在新条件下开展工作。-标准鼓励用人单位建立持续的能力监控与评价机制，将日常质量绩效指标纳入操作员资质动态管理体系。四、主要起草单位介绍4.1德国Fraunhofer激光技术研究所作为ISO/ASTM52926-5:2023标准起草工作的核心技术支撑单位，德国Fraunhofer激光技术研究所（FraunhoferInstituteforLaserTechnology,ILT）在增材制造工艺开发和人员培训体系研究方面做出了奠基性贡献。FraunhoferILT成立于1985年，是欧洲乃至全球激光与光子学应用研究领域最具影响力的科研机构之一，研究团队近500人。自上世纪90年代中期开始从事激光增材制造技术研究以来，ILT已在DED技术领域积累了超过25年的系统研究经验。该所在DED工艺过程在线监测、熔池动力学仿真、工艺窗口开发以及质量闭环控制等方面取得了一系列开创性成果，其开发的同轴送粉DED系统已成为国际上众多科研机构和企业的参考标杆。在ISO/ASTM52926-5:2023标准起草过程中，FraunhoferILT的研究团队承担了以下关键任务：标准框架设计与技术内容完善：该所专家基于其在DED-Arc工艺开发中的长期积累，牵头起草了标准中操作员知识要求等级划分和实操考核评价指标体系的初稿，并主导了多轮国际专家征询意见的整理与技术修订工作。他们提出的“工艺理解-过程判断-异常响应”三维能力评估框架被标准编制组采纳，成为标准的核心方法论基础。考核方法试验验证：为了确保标准中考核方案的科学性和可操作性，FraunhoferILT联合多家工业合作伙伴，在其实验室内完成了为期18个月的考核方法试验验证工作。通过组织包括经验丰富的操作人员和新手操作员的对照测试组，验证了标准所设计的评价指标体系有效性与区分度，并根据试验结果对部分考核要素进行了优化调整。此外，该所还研究并制定了评估人员资质条件及评价一致性保障机制，相关内容被正式纳入标准发布版本。培训体系开发与推广：基于该标准的技术要求，FraunhoferILT开发了模块化的DED-Arc操作员培训课程，课程涵盖理论教学（材料科学基础、工艺原理、质量控制）和实操训练（在不同材料体系和典型构件上开展强化练习）两大模块。研究所同时建立了面向欧洲工业界的操作员资格认证服务体系，已为超过200名工程师和技术人员提供培训和考核服务，为标准的全球推广积累了丰富的实践经验。五、标准实施意义与影响分析5.1推动行业规范化发展ISO/ASTM52926-5:2023的发布标志着DED-Arc操作员从“经验主导”向“标准驱动”的转变，具有里程碑式的行业意义。标准统一了操作员能力评价的尺度和基准，为企业招聘选拔、培训开发、绩效考核提供了明确的参考框架。对于行业监管部门而言，该标准为增材制造领域的人员资质审核提供了可依据的技术准则，有助于增强监管的科学性和一致性。5.2促进人才培养体系完善标准的能力分级体系为职业教育机构和高等院校制定人才培养方案提供了清晰的指引。基于该标准，院校可以更有针对性地设计课程体系，将标准中规定的知识模块融入教学计划，使毕业生在进入企业时即具备标准认可的基础能力。同时，标准也促使企业重新审视内部培训体系，推动建立更加系统化的岗位培训与技能评价机制，促进企业内部知识管理和技术传承。5.3支撑质量保证体系升级操作员能力水平是增材制造全过程质量保证体系中最具不确定性的因素之一。本标准的贯彻实施将有效降低人员因素导致的工艺波动，减少因操作不当引起的质量事故。在航空航天等质量敏感型行业，该标准为供应链上下游企业统一人员资质要求提供了基准，有助于增强产业链协同和整体质量水平的提升。5.4促进国际贸易与产业合作在增材制造全球化的产业格局下，人员资质的国际互认对于跨国技术合作和贸易便利化具有重要意义。ISO/ASTM52926-5:2023作为国际标准，其颁布为不同国家之间的人员资格互认创造了前提条件。随着后续互认机制的建立和完善，将有效消除各国因人员资质要求不一致而产生的技术壁垒，促进增材制造技术和服务的跨境流动。六、结论与展望ISO/ASTM52926-5:2023《金属增材制造资格评定原则第5部分：DED-Arc操作员资格评定》的正式发布，填补了国际增材制造标准化体系中针对操作员专项能力评价的关键空白。作为ISO/ASTM52926系列标准的重要组成部分，该标准为快速发展的DED-Arc技术领域提供了系统化的人员能力评价工具，其发布恰逢全球增材制造从技术验证转向规模化应用的关键时期，对行业健康有序发展具有深远影响。展望未来，随着增材制造应用场景的持续丰富和技术的迭代升级，该标准将面临持续的修订与完善需求。当前可预期的发展方向包括：一是随着DED-Arc工艺在镍基高温合金、难熔金属等新材料体系上的应用拓展，标准需同步扩展材料覆盖范围；二是随着在线监测与人工智能辅助决策技术在DED-Arc设备上的日益普及，操作员的职责边界和能力要求将发生新的变化，标准的应用模式和评价维度也将随之调整；三是标准的配套措施仍有待进一步细化，包括各国家和地区的采标转化工作、操作员培训机构的资质认定体系以及国际间资格互认机制的建立等。参考文献[1]ISO/ASTM52926-5:2023,Additivemanufacturingofmetals—Qualificationprinciples—Part5:Qualificationofoperators