电弧增材制造残余应力与变形调控研究进展

Research progress in regulation of residual stress and distortion in wire arc additive manufacturing

摘要

电弧增材制造（wire arc additive manufacturing，WAAM）以电弧为载能束逐层熔化金属丝材，适合中大尺寸复杂金属构件的快速制造，因其成形效率高、制造成本低、材料利用率高等优势，在航空航天、国防领域具有广阔的应用前景。残余应力与变形调控是推进金属构件WAAM高效、高质量发展与应用必须解决的关键科学与技术难题。本文探讨了WAAM残余应力与变形的产生机制及影响因素，分析对比了残余应力与变形的实验测量与数值模拟方法，并对WAAM沉积前、中、后不同阶段控制残余应力与变形的方法进行了系统总结。最后指出数值模拟、机器学习、现场诊断及控制是未来WAAM残余应力与变形调控的重点研究方向。

Abstract

Wire arc additive manufacturing （WAAM） employs an arc as the energy source to melt metal wire layer by layer， making it suitable for the rapid fabrication of medium to large-sized complex metal components. Owing to its high forming efficiency， low manufacturing costs， and exceptional material utilization rates， WAAM has extensive application prospects in the aerospace and defense sectors. The regulation of residual stress and distortion in metal components is a key scientific and technical problem that must be solved to promote the efficient and high-quality development and application of WAAM. The mechanisms and influencing factors of residual stress and distortion in WAAM are explored. The experimental measurement and numerical simulation methods are analyzed and compared， and strategies for reducing residual stress and distortion at different stages of the WAAM process （before， during， and after deposition） are systematically summarized. Finally， it is pointed out that numerical simulations， machine learning， in-situ diagnosis， and control are the key research directions for controlling residual stress and distortion in WAAM in the future.

Graphical abstract

关键词

电弧增材制造 / 残余应力 / 变形 / 测量技术 / 数值模拟 / 调控方法

Key words

wire arc additive manufacturing / residual stress / distortion / measurement technology / numerical simulation / regulation method

现代化高端装备制造业是我国基础工业的重要支柱。然而，长期以来，其所依赖的传统制造技术面临流程复杂、材料利用率低、周期长、成本高等问题。金属增材制造（additive manufacturing，AM）技术作为先进制造技术的一次变革性突破，以其绿色、高效、低成本的特点，为高端装备金属构件的制造提供了新的解决方案^［1］。世界工业强国纷纷将增材制造视为未来产业发展的新增长点，并制定相应的国家战略推动其发展，我国也积极响应这一趋势，在《中国制造2025》中明确提出将增材制造工艺与装备作为重点发展的关键技术领域之一^［2］，以加快推动增材制造技术的可持续发展，抢占未来产业的战略制高点。

电弧增材制造（wire arc additive manufacturing，WAAM）作为金属增材制造技术的一个重要分支，以熔化极电弧（gas metal arc，GMA）、钨极氩弧（gas tungsten arc，GTA）或等离子弧（plasma arc，PA）为热源，沿规划路径逐层沉积金属丝材，再辅以少量机械加工获得满足使用要求的金属构件^［3］。WAAM技术可以追溯至1925年采用焊丝堆积制造小型装饰品，至20世纪70年代演变为一种制造概念用于大型压力容器生产^［4］。近年来，该技术受到工业界和学术界的广泛关注，研究成果逐年增多。2012年以前，WAAM相关研究报道数量较少，部分学者在工艺改进方面进行了有益探索；自2012年以来，研究成果逐渐增多，国内外学者在提升构件性能方面开展了大量工作；2018年后，成果产出进入快速增长阶段，其中数值模拟在探索工艺机理方面发挥了重要作用。目前，涵盖建模、路径规划、成形特性、检测与控制、数值模拟及组织性能评价的全面研究正逐步推动WAAM技术进入工业生产应用。WAAM可以避免激光增材制造固有的能量吸收率低、电子束增材制造对构件尺寸的限制等问题，具有材料利用率高、设备成本低、自由度高等优势^［5］，非常适合不同金属材料中大尺寸构件的制造，在航空航天、船舶制造、汽车工业等领域具有广阔的应用前景^［6-7］。

WAAM基于材料逐层堆叠的方法制造实体构件，在单一电弧热源多重加热模式下，沉积金属之间存在预热、后热交互作用，这种反复加热、冷却循环过程会产生不均匀的热量分布，导致构件存在较大的残余应力与变形，影响构件的性能及尺寸精度^［8］。残余应力与变形调控是长期制约金属构件WAAM技术发展和应用的瓶颈难题，更是决定该技术能否走向工程应用推广的关键。实验测量能够提供构件在真实条件下残余应力与变形的直接数据，数值模拟则能预测沉积过程中的应力与变形演变，分析不同工艺设定下构件的热力行为^［9-10］，结合实验测量与数值模拟方法，可以更准确高效地对WAAM残余应力与变形进行调控。目前，控制WAAM残余应力与变形的方法主要包括优化沉积路径、基板预热、降低层间温度、热处理等，根据不同构件工艺要求，选择最佳的调控措施，对推动WAAM构件实现工业生产应用具有十分重要的意义。

近年来，国内外在WAAM残余应力与变形调控方面陆续开展了诸多研究。然而，这些成果主要侧重于单一的控制措施，研究相对分散，亟待将其整合深化，以便为后续研究提供借鉴与指导。南京航空航天大学Xie等^［11］总结了AM变形与残余应力形成机制及调控方法，但主要侧重于激光增材制造，对WAAM介绍较少。印度国家技术学院Srivastava等^［12］以WAAM残余应力为主题，综述了数值模拟相关研究，但对残余应力调控方法的总结不足。因此，本文主要分析了WAAM残余应力与变形的产生机制及影响因素，阐述了残余应力与变形的实验测量及数值模拟方法，总结了WAAM沉积前、中、后不同阶段控制残余应力与变形的方法，并对未来的研究方向进行了展望。

1 残余应力与变形产生机制及影响因素

与传统制造技术不同，WAAM采用逐层堆叠的制造方式，沉积层会经历往复热循环，如图1所示^［13］。这种复杂的热过程会对残余应力与变形的形成机理产生重要影响，因此，需要对WAAM残余应力与变形的产生机制及影响因素进行讨论。

1.1 产生机制

残余应力是指在外力作用消除或不均匀温度场平衡后仍残留在构件内部的平衡应力，根据其作用范围可以分为宏观应力、微观结构应力和晶内亚结构应力。宏观应力是存在于整个构件或较大尺寸范围内的应力，如沿构件高度方向分布的压应力，亦称为第一类应力；微观结构应力是存在于晶粒尺寸级别范围内的应力，如晶粒间不均匀形变产生的应力，亦称为第二类应力；晶内亚结构应力是存在于原子尺度范围内的应力，如位错应力，亦称为第三类应力^［14］。WAAM残余应力一般是指第一类应力，在构件冷却至室温时测得，包括热应力和相变应力，其中相变应力仅在部分金属构件中存在。

热应力源于金属在加热冷却下的膨胀收缩，其产生可通过温度梯度机制解释^［15］。如图2（a）所示^［16］，在高能热源作用下，金属丝材熔化，热源附近沉积金属受热膨胀，但这种膨胀受周围温度较低、膨胀较小的金属限制，导致热源附近区域产生压应力；随着热源移动，先前沉积的金属冷却收缩，这种收缩同样会受周围温度较低、收缩较小的金属限制，由于金属在高温下易屈服，当应力超出其屈服强度时，部分热应变会转化为塑性应变，在冷却金属附近形成拉伸残余应力。在沉积初期，起主要散热作用的基板温度较低，导致沉积层附近温度梯度较高，熔化金属冷却速率也较高；随着沉积过程的进行，基板温度显著升高，沉积层附近温度梯度减小，冷却速率降低^［17］。

在逐层沉积过程中，先前沉积层会经历循环加热与冷却，导致其应力状态发生变化，这是WAAM应力演变相比电弧焊接更加复杂的原因。新的沉积层在冷却过程中发生收缩，但这种收缩会受到先前沉积层的限制，从而在新沉积层中产生拉应力，并在先前沉积层中产生压应力^［18］。在逐层沉积过程中，构件内部的压缩应力不断积累，以平衡表层的拉伸应力^［19］。德国布伦瑞克工业大学Sun等^［20］研究了铝合金薄壁件冷金属过渡（cold metal transfer， CMT）增材纵向残余应力随沉积高度的变化特性，结果发现，当前沉积层会对先前沉积层产生应力松弛作用，降低先前沉积层的拉伸残余应力，构件拉伸应力较大的区域位于沉积的最后几层。

相变应力源于部分金属在冷却过程中发生的固态相变，当相变带来体积尺寸变化或不同区域组织转变发生不同步时，会导致残余应力的产生。韩国仁川国立大学Ali等^［21］分析了采用不同沉积模式的马氏体钢WAAM残余应力，结果表明，连续沉积时，相变对残余应力具有显著影响，若要实现对复杂构件中残余应力的精确预测，不能忽略沉积过程中发生的相变。美国匹兹堡大学Jimenez等^［22］构建了考虑马氏体相变的热力耦合模型，实现了对高强钢PA增材残余应力的准确预测。

WAAM变形的产生与残余应力密切相关。残余应力是一种纯弹性应力，当构件的残余应力水平超过材料屈服强度时，会导致塑性变形的发生，进而在构件内部形成新的弹性应变和塑性应变分布^［23］。如图2（b）所示^［11］，当构件中残余应力较大时，去除夹具约束后会发生明显变形，通过热处理等手段对构件进行应力消除后，去除夹具约束后变形明显减小。

综上所述，金属在加热冷却下的膨胀收缩、逐层沉积时的热循环以及部分金属在冷却过程中发生的固态相变，是WAAM残余应力形成的主要原因。残余应力会影响构件的裂纹扩展行为、断裂韧性、耐腐蚀性和疲劳性能。当残余应力超过材料的屈服强度时，会引发塑性变形，影响构件的尺寸精度。

1.2 影响因素

沉积过程中的热输入会影响构件的温度梯度分布，低热输入有利于降低对沉积层的热作用，进而减小残余应力与变形，电弧热源能量密度、功率及行走速度等工艺参数均会影响热输入。日本庆应义塾大学Oyama等^［24］研究了不同工艺参数对铝合金CMT增材总变形和残余应力的影响，结果表明，通过改变热源功率，可以调控不同沉积层的热输入，从而缓解连续沉积时构件的残余应力与变形。南京航空航天大学Wang等^［25］研究了铝合金CMT增材沉积过程和模拟高速飞行期间的温度场及应力分布，结果发现，低送丝速度和高沉积速度带来的低热输入可显著降低构件的最大应力值，并改善服役期间的应力分布。

热积累会对构件残余应力与变形产生影响，随着沉积层数增加，散热条件变差，形成的热量积聚会导致沉积层峰值温度升高，温度梯度增大，通过降低热输入或改善散热条件，可以减少WAAM沉积过程中的热积累，从而减小残余应力与变形。北京工业大学Zhao等^［26］开发了调整铝合金CMT增材过程中热输入的自适应工艺模型，该模型能根据预测的层间温度调整工艺参数，避免了随层高增加而产生的热积累问题，在确保沉积效率的同时减小了构件变形。美国欧道明大学Abusalma等^［27］研究了层间等待时间对镍基合金GMA增材残余应力的影响，结果表明，当减少层间等待时间时，散热时间缩短，沉积过程中的热积累增加，构件的残余应力水平明显提高。

此外，沉积金属的材料属性会影响残余应力的产生^［28］，构件结构会影响沉积过程中的散热和整体约束条件^［29］，通过选择合适属性的金属丝材与结构设计方案可以有效预防残余应力的产生。沉积路径决定电弧热源在不同区域的热输入顺序，影响沉积过程中的热量分布^［30］，基板预热可以使沉积过程中的温度分布更加均匀^［31］，选择适当的沉积路径和调整基板预热温度有助于降低沉积层温度梯度，从而减小构件的残余应力。

2 残余应力与变形检测及数值模拟方法

准确获取构件的残余应力和变形数据是研究WAAM残余应力与变形的基础。实验测量可以直观有效地获得残余应力与变形数据，数值模拟能够揭示沉积过程中的瞬态热力学行为，为工艺优化提供依据。实验测量与数值模拟方法的结合在WAAM残余应力与变形调控方面展示出巨大的潜力。

2.1 残余应力与变形检测方法

根据对构件完整性的影响，残余应力检测方法可以分为破坏性检测和无损检测^［32］。破坏性检测方法通过局部破坏试样来打破其应力平衡状态，再测量应力重分布过程中的应变来计算残余应力。而无损检测方法则是利用残余应力会引起材料中物理量的变化，通过建立特定物理量与残余应力之间的关系，并测定该物理量计算出残余应力。不同的残余应力检测方法对构件的材料、形状和表面状态有不同的要求，适用的穿透深度、测量尺度和误差也不尽相同^［33］，需要结合使用场景做具体的选择。

常用的破坏性检测方法包括钻孔法、轮廓法和剥离法。兰州大学Fan等^［34］利用钻孔法测量不锈钢薄壁件GTA增材残余应力，研究了氩气冷却对构件残余应力与变形的影响，为降低因热积累过大而产生的残余应力提供了有效方法。北京航空航天大学Zhang等^［35］利用轮廓法测量钛合金薄壁件截面残余应力，研究了PA增材残余应力与裂纹生长率的关系，探索了不同裂纹位置和扩展方向下，残余应力对后续裂纹扩展的影响机制。

常用的无损检测方法包括X射线衍射法、中子衍射法和超声波法。上海交通大学Zhang等^［36］采用X射线衍射法测量铝合金构件的残余应力，分析了CMT增材不同沉积路径对残余应力的影响，开发了一种新的路径规划策略，实现了轮廓精度与残余应力水平均最优的单层多道件沉积。华中科技大学Ma等^［37］设计了基于超声波法的CMT增材残余应力检测系统（图3（a）），通过脉冲激光束激发铝合金薄壁件表面以产生超声波，继而利用超声波波速的改变获得构件应变状态，实现了对沉积过程中残余应力的实时检测。

变形的检测方法可分为接触式和非接触式。接触式方法常用的工具包括应变片、高精度尺规和三坐标测量机，非接触式方法主要有数字图像相关（digital image correlation， DIC）和激光位移传感器技术。意大利佛罗伦萨大学Montevecchi等^［38］利用三坐标测量机对低碳钢GMA增材变形进行测量，通过扫描沉积前、后基板获得准确的基板变形数据，验证了新提出的有限元模型在预测增材构件变形上的准确性。清华大学Wang等^［39］开发了基于DIC的GMA增材变形原位测量系统（图3（b）），从测量误差、斑点模式、弧光影响等方面评估了系统测量质量，对比了薄壁空心件的变形测量数据和数值模拟结果，验证了该原位测量系统的性能。

2.2 数值模拟方法

一般来说，实验方法可有效检测残余应力与变形分布，但WAAM工艺参数、沉积策略众多，开展大量实验探索不同工况的影响，不仅成本高而且非常耗时。此外，实验测量只能获得构件表面有限点的应力及变形值，无法了解整体的应力-应变演变状况。数值模拟是分析沉积构件应力及变形的一种卓有成效的方法，不仅能减少实验成本，还能揭示沉积过程瞬态热力学行为，实现对构件残余应力与变形的合理预测。

热力耦合模型是目前分析WAAM残余应力与变形的主要工具，能够兼顾热效应和力学效应对材料性能的影响，根据温度场与应力场相互作用关系可分为全耦合模型与顺序耦合模型，根据系统状态是否随时间动态变化可分为瞬态模型与稳态模型。表1中对常用热力耦合模型进行了比较。耦合模型将热传导方程和力学方程整合到单一的求解框架中，确保了热效应和力学响应之间的即时互动；顺序耦合模型则采用分步求解方法，先计算整个构件的热行为，再将所得的温度分布作为输入用于随后的力学分析。针对相同的WAAM过程，全耦合分析因能实时捕捉热力间的相互作用，具有更高的分析精度，但也需要更多的计算资源和时间^［40］。提高模型在复杂环境下的精度及效率是WAAM残余应力与变形模拟研究的主要关注点。

在提高模拟精度方面，意大利佛罗伦萨大学Montevecchi等^［41］考虑沉积金属和基板之间的实际功率分布，提出了一种基于新型热源模型的GMA增材建模策略，对比了采用新型热源模型与传统Goldak热源模型的模拟结果，证明了所提策略具有更高的预测精度。华中科技大学Bai等^［42］利用沉积过程中的红外图像校准热源参数及辐射-对流组合模型，开发了一种提高GMA增材模拟精度的新方法，对比了低碳钢薄壁件温度场预测结果和实验测量数据，验证了该方法的有效性。

在提高计算效率方面，英国克兰菲尔德大学Ding等^［43］采用稳态热模型预测温度场，并将热循环过程中的峰值温度作为应力场模型输入量，开发了一种高效WAAM有限元模型，与传统瞬态模型相比，该模型节省了99%的计算时间。美国橡树岭国家实验室Huang等^［44］开发了包括迭代子结构法、动态网格细化法和基于图形处理器的显式有限元法在内的3种高效模拟方法，分析了大尺寸低碳钢GMA增材残余应力与变形，结果表明，新方法在不影响精度的情况下大幅度降低了计算成本，效率分别提高了3倍、9倍和30倍。

3 残余应力与变形调控

WAAM工艺的复杂性导致构件存在不同程度的残余应力与变形。如前所述，残余应力与变形的形成不仅与构件结构和沉积材料有关，还与增材工艺密切相关。通过降低制备过程中的整体温度梯度以减少应力产生，并辅以热处理等手段消除应力，是控制残余应力与变形的有效途径。本文总结了WAAM沉积前、中、后不同阶段残余应力与变形调控方法。

3.1 沉积前

沉积前控制残余应力与变形的方法包括选择合适属性的金属丝材、优化构件设计、基板预热、选择低热输入热源和采用适宜的固定夹具。

材料属性是影响残余应力与变形的关键因素，选择合适属性的金属丝材可以减少沉积过程中应力的产生，进而减小残余应力与变形。韩国朝鲜大学Park等^［45］研究了相同热输入下不同材料GMA增材角变形特性，对比了碳钢、镍钢、奥氏体不锈钢、铝合金等不同丝材，结果发现，材料的密度和比热容对构件角变形的影响较大，导热系数对构件角变形的影响较小；在一定热输入下，角变形量与密度、比热容及热导率成反比，与热膨胀系数及弹性模量成正比。法国南特大学Théodore等^［46］研究了沉积金属热性能对双丝GTA增材残余应力与变形的影响，通过将不同热膨胀系数的304L与430不锈钢丝材以不同比例混合沉积，证明了在沉积中额外加入热膨胀系数较小的丝材能有效减小残余应力与变形。北京理工大学Wu等^［47］建立了GTA增材热力耦合模型，对比了Ti-6Al-4V和In718构件残余应力及性能，结果表明，相同条件下两种合金构件具有相似的残余应力分布，其中Ti-6Al-4V构件残余应力较大，但由于其室温屈服强度较高，相比In718构件更不易发生层间开裂。

构件结构对应力的形成和分布具有重要影响，此外，由于WAAM过程中固有应变难以完全消除，若要实现构件尺寸的精确控制，需要在尺寸设计上对构件预期收缩进行提前补偿。德国联邦材料研究所Wandtke等^［48］探究了构件设计对高强钢CMT增材残余应力的作用机制（图4（a）），结果表明，构件设计会影响沉积过程中的散热和约束强度，进而对残余应力产生影响，相比长度和厚度，构件高度对侧壁纵向残余应力的分布和大小具有更显著的影响，随着高度增加，平均残余应力降低。德国勃兰登堡工业大学Nguyen等^［49］提出了一种控制薄壁空心件CMT增材变形的新方法（图4（b）），通过分析低碳钢沉积时出现的几何偏差，对图纸尺寸进行补偿修正，实现了对低碳钢构件尺寸的精准控制。

基板预热能降低初始沉积时沉积层和基板之间的温差，从而使沉积过程中的温度分布更加均匀，有效减小残余应力与变形。西南交通大学Xiong等^［50］构建了低碳钢圆形薄壁件GMA增材瞬态传热模型，研究了基板预热对沉积过程中热行为的影响，结果表明，基板预热可使构件热循环更加平滑，随预热温度升高，熔池最大温度梯度降低，选择适当的预热温度，能有效降低构件热应力和开裂倾向。天津工业大学Liu等^［51］设计了一种利用等离子弧预热基板的新方法，开发了不锈钢PA增材热力耦合模型，证明了电弧预热可有效减小薄壁构件及基板的残余应力与变形。

采用低热输入热源可以减轻对沉积层的热作用，从而降低构件在沉积过程中的温度梯度，缓解残余应力与变形。低热输入热源主要包括脉冲电弧^［52］、CMT电弧^［53］、旁路电弧^［54］和间接电弧^［55］。脉冲电弧通过控制输出电流的波形降低电弧热输入；CMT电弧短路瞬间电弧熄灭，从而使电弧空间温度和熔滴温度降低；旁路电弧通过旁路分流部分原本流入沉积层的电流，形成低热输入电弧等离子体；间接电弧建立在丝材与钨极或丝材与丝材之间，基板或沉积层不接电源，从而减小对沉积层的热作用。葡萄牙里斯本新大学Rodrigues等^［55］将电弧建立在钨极与丝材之间，开发了一种基于间接电弧热源的增材新工艺，通过与采用传统GMA热源的高强钢增材工艺进行比较，证明了在保证构件力学性能的基础上，新工艺能显著降低沉积层峰值温度与热积累。

适宜的固定夹具有助于缓解WAAM多层加热沉积产生的过度约束问题，减小构件整体变形。美国橡树岭国家实验室Schmitz等^［56］设计了一种有限约束夹具，通过仅在基板两端提供垂直方向上的约束力，允许水平方向上的横向热膨胀，实现了减小铝合金薄壁空心件GMA增材基板垂直方向变形的效果。北京工业大学Li等^［57］对施加在基板上的约束力进行动态调整，开发了一种新型柔性多点支撑夹具，对比了新型夹具与传统锁紧夹具在铝合金薄壁件GMA增材中的应用，结果表明，新型夹具可使构件角变形减小了96.3%，纵向弯曲变形减小了86.5%。

3.2 沉积中

沉积中控制残余应力与变形的方法包括施加主动冷却、优化沉积路径和增加机械辅助手段。

施加主动冷却可以改善散热条件，促进沉积层的热传导与辐射散热，降低成形热积累，进而减小残余应力与变形。主动冷却的方法主要包括基板通循环冷却水^［58］、强制气流冷却^［59］、水浴冷却^［60］和热电制冷^［61］。基板通循环冷却水通过增加基板散热从而促进沉积层的热传导，当沉积层数过大时效果减弱；增加强制气流可促进沉积层辐射散热，但耗费大量低温气体会导致成本较高；水浴冷却通过将构件置于水中提高冷却速率，这会使构件尺寸受到水箱空间限制；热电制冷通过将制冷器紧靠构件的侧表面促进辐射散热，通常应用于直壁件制造。北京工业大学Li等^［62］开发了基于热电制冷技术的主动冷却系统，实现了上下沉积层相似的散热条件，通过铝合金GMA增材实验，证明了该系统在缓解热积累上的有效性。澳大利亚伍伦贡大学Wu等^［63］探究了CO₂气体强制冷却系统在钛合金GTA增材中的应用，结果发现，该系统能显著提高沉积层的散热能力，降低沉积层热积累，使薄壁构件纵向变形最大减小81%，横向变形最大减小69%。

沉积路径决定了电弧热源在不同区域的热输入顺序，影响沉积过程的热量分布，通过优化沉积路径可以改善不均匀冷却引起的应力集中问题，控制残余应力与变形。哈尔滨工业大学Zhao等^［64］建立了低碳钢GMA增材有限元模型，研究了沉积方向对薄壁构件残余应力与变形的影响，证明了反向交替沉积构件的残余应力和最大残余等效塑性应变小于同向沉积构件。通过有限元模拟和实验检测，印度理工大学Vishwanath等^［65］分析了不同沉积路径下的低碳钢CMT增材残余应力与变形，结果表明，采用希尔伯特面积填充法的构件具有最低的温度梯度，其变形量为采用之字形和等高线填充法构件的41%~53%。

机械辅助手段是在 WAAM 过程中施加外力，产生补偿塑性应变，从而改变构件的残余应力分布，减小整体变形。如图5所示^［66-70］，常见的机械辅助手段包括轧制^［66］、锤击^［67］、超声波冲击^［68］、激光冲击^［69］和层间搅拌摩擦^［70］。英国克兰菲尔德大学Colegrove等^［71］开发了GMA增材层间轧制系统，探究了不同轧制方法对低碳钢构件残余应力与变形的影响，证明了该系统可有效降低构件纵向残余应力及整体变形。北京理工大学Yang等^［72］研究了层间超声冲击处理在钛合金GTA增材中的应用，结果表明，层间超声冲击处理可显著降低构件中的残余应力，同时还具有细化晶粒及提高力学性能的效果。

3.3 沉积后

热处理作为WAAM的后处理工序，能促使构件的显微组织发生位错回复、再结晶，从而降低残余应力。以色列理工学院Goviazin等^［73］探究了热处理温度对316L不锈钢薄壁圆管件GMA增材残余应力与变形的影响，结果表明，相同条件下热处理温度越高，对残余应力的降低效果越明显，圆管件在800 ℃下热处理1 h可以实现几乎完全的应力释放。美国匹兹堡大学Li等^［74］分析了热处理对P91钢薄壁件PA增材组织及残余应力的影响，结果发现，在1200 ℃下进行均质化处理可使构件中马氏体尺寸明显减小，构件残余应力水平随均质时间的延长而降低。澳大利亚昆士兰大学Bermingham等^［75］研究了不同后处理方法对钛合金薄壁件WAAM性能的影响，结果表明，在280 ℃下热处理2 h可以有效释放构件中的残余应力，使构件延展性提高30%以上。

此外，部分机械辅助手段也可用于WAAM沉积后残余应力与变形的调控，如轧制、超声波冲击和激光冲击。相同机械辅助手段的效果可能因应用阶段的不同而有所差异。例如，英国克兰菲尔德大学Hönnige等^［66］对比了层间垂直轧制和沉积后侧轧对铝合金CMT增材残余应力与变形的影响，结果发现，层间垂直轧制使各层在沉积后发生形变，消除了构件因残余应力而产生的变形，但仍会使沉积层保持一定的残余应力水平，沉积后侧轧可以更有效地降低构件整体残余应力水平，甚至能够逆转沉积时发生的变形。北京航空航天大学Sun等^［69］将激光冲击强化技术应用于铝合金GTA增材后处理，实现了构件残余应力从拉伸状态到压缩状态的转变，验证了激光冲击强化技术对构件残余应力的调控效果。

综上所述，国内外研究人员已经系统性地探究了WAAM残余应力与变形的调控方法。在WAAM不同阶段，通过选择合适的措施，可以有效控制残余应力与变形。然而，多工艺变量对残余应力与变形的影响，以及不同调控方法之间的协同效应，尚未得到充分研究，在大尺寸、高复杂度构件的制造中，如何实现残余应力与变形的最佳调控仍存在巨大的挑战与发展空间。

4 结束语

金属构件WAAM残余应力与变形调控水平直接决定该技术的进一步发展与应用。本文探讨了WAAM残余应力与变形的产生机制及影响因素，阐述了残余应力与变形的实验测量与数值模拟方法，总结了WAAM沉积前、中、后不同阶段控制残余应力与变形方法的研究现状。目前，WAAM残余应力与变形调控技术已有较大发展，但仍处于实验环境下对单一控制方法有效性的探索阶段，在工业生产上的应用有限，亟须在数值模拟、机器学习、现场诊断及控制方面展开深入和系统的研究。

（1）数值模拟是研究WAAM残余应力与变形的重要工具。然而，现有的热力耦合模型在计算精度和效率方面仍存在一定局限性，这限制了其在大型复杂构件中的广泛应用。因此，未来发展的重点在于全尺寸复杂构件高效高精度计算模型的开发，提高残余应力与变形的预测精度和效率，深入挖掘数值模拟在工业生产中的应用潜力。

（2）材料属性在数值模拟中至关重要，它使模型能够准确反映材料在不同条件下的热力行为，从而直接影响残余应力与变形的预测精度。但目前公开的材料属性数据存在缺失及不准确等问题，容易造成模拟结果偏差。因此，有必要为重要工程合金建立全面的热物理属性数据库，提高数值模拟的准确性和应用范围。

（3）机器学习方法通过分析数据中的模式和关系实现快速预测，且随着数据质量和数量的提升，预测准确性持续提高。通过分析WAAM应力与变形模拟结果，机器学习模型能够实现对相关数值的快速预测，从而加速大型复杂构件残余应力与变形预测过程。此外，机器学习还能帮助识别影响残余应力与变形的关键因素，为工艺优化提供数据支持。因此，机器学习在WAAM残余应力与变形调控中的应用是未来重要的研究方向。

（4）WAAM沉积过程中产生的变形通过现有方法难以消除。因此，对构件应力与变形进行监测，并采取适当的调控措施预防构件变形的发生，是减少因变形导致构件失效的重要手段。有必要开发针对WAAM应力与变形的现场诊断及控制系统，以推动残余应力与变形调控技术的进一步发展。

参考文献

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基金资助

国家自然科学基金资助项目(62173280)

国家自然科学基金资助项目(51975491)

四川省科技计划资助项目(2023NSFSC1956)

四川省科技计划资助项目(2024JDRC0022)

航空科学基金项目(2023Z049109001)