电弧增材制造（WAAM）作为一种高效率、低成本的大型金属构件增材制造技术，在航空航天、能源动力、船舶制造等领域展现出巨大潜力。然而，该工艺在逐层熔覆过程中产生的复杂热循环、显著残余应力以及由此引发的构件变形和微观组织不均匀性问题，严重制约了其在高精度、高性能部件制造中的应用。传统依赖经验试错的工艺开发模式，成本高昂且周期漫长。当前，通过建立高保真的多物理场耦合数值模型，在虚拟空间中预演制造全过程，已成为预测并优化工艺、提升构件成形质量与性能的核心技术途径。本文将深入分析一项基于DANTE材料模型与相变仿真软件的耦合应用案例，系统阐述如何通过数值模拟精准揭示电弧增材制造过程中的应力演变与变形规律。
一、电弧增材制造的工艺挑战与仿真需求
电弧增材制造的本质是自动化、智能化的定向多层堆焊过程。移动的电弧作为高能量密度的集中热源，导致材料经历急速熔化、凝固及后续的复杂热循环。这一过程主要引入三大挑战：
- 极高的非稳态温度梯度：熔池及其附近区域与周围冷态基体或已沉积层之间形成极端瞬态温度场，是热应力的根本来源。
- 复杂的残余应力与变形：不均匀的热胀冷缩行为导致构件内部产生自平衡的残余应力场。当应力超过材料屈服极限或与构件几何耦合时，即引发宏观翘曲、扭曲甚至开裂。
- 动态的固态相变与性能演化：对于钢铁等具有多型相变的材料，快速热循环将驱动奥氏体化及后续的冷却转变（如形成铁素体、珠光体、贝氏体或马氏体）。不同相变伴随不同的体积变化与力学性能，显著影响最终的应力状态和构件性能。
单纯的热传导分析无法评估应力与变形，而常规的弹塑性应力分析又难以计入相变带来的体积效应与潜热影响。因此，需要一套能够完全耦合温度场、相变动力学、变形场及材料性能演化的高阶仿真解决方案。
二、耦合DANTE模型的电弧增材制造仿真框架
本案例研究构建了一套基于通用有限元平台Abaqus Standard的完整仿真工作流，其核心在于集成了专用的焊接过程模拟子程序与DANTE材料与相变仿真软件。
- Abaqus Standard：作为求解核心，执行高度非线性的热-力顺序耦合分析。
- 焊接模拟子程序：负责实现电弧增材制造的关键过程特征，包括材料的逐层激活（“单元重生”技术）、移动热源的精确建模（采用经典的Goldak双椭球体热源模型）以及层间冷却的控制。
- DANTE软件：作为本仿真的材料物理引擎。DANTE内置了经过充分验证的冶金相变动力学模型和与温度、相组成相关的材料本构模型。它能够计算加热过程中的奥氏体化，以及冷却过程中各相（铁素体、珠光体、贝氏体、马氏体）的转变量、转变潜热以及最重要的——相变引起的体积应变。正是这部分体积应变与热应变共同决定了最终的残余应力与变形。
该框架实现了对“热输入-相变-应力/应变”闭环的物理真实描述。
三、仿真模型建立、优化与关键结果分析
本研究模拟了在AISI 1020钢基板上，使用AISI 1006低碳钢焊丝沉积八层单道墙体的过程。为提高仿真精度与效率，在初步热分析后进行了关键优化：
- 工艺参数校准：根据初步模拟显示的“整体过热”现象，调低了焊接电流输入，使热源模型更贴合实际工况。
- 网格策略优化：在焊道沉积路径区域进行局部网格细化，节点数从约1.5万增至2.7万，单元数从1.2万增至近2.2万，以精确捕捉陡峭的温度和应力梯度。
- 散热条件修正：适当增大了对流换热系数，并结合调整后的热输入，使模型在每层沉积后5分钟的冷却时间内能够合理回落至室温。
经过上述优化，仿真成功运行并揭示了以下核心物理现象：
1. 残余应力的动态演化机理
单层沉积后：如图1所示，焊道中心线在冷却至室温后呈现较高的拉应力。这主要由熔池凝固收缩及后续冷却中金属收缩受约束所致。图1：首层沉积并冷却后最大主应力分布（高拉应力集中于焊道中心）多层交互沉积时：如图2所示，当后续焊道沉积时，其前方区域因被急剧加热膨胀而处于三轴压应力状态。同时，已沉积材料在经历从奥氏体向铁素体和珠光体的固态相变时，因相变膨胀效应，在热影响区后方也会产生压应力。这揭示了应力在制造过程中动态重分布的复杂机制。图2：第五层沉积过程中最大主应力分布（显示焊道前方的三轴压应力区）最终状态：制造完成后，墙体整体以拉应力为主，三轴压应力基本消失。应力分布呈现清晰的“虎纹状”层间交替带（图3），这是逐层沉积历史的直接印记。需特别关注的是，第一层焊道与基板连接的端部角落存在极高的拉应力集中，这是构件从基板上翘曲脱离或产生冷裂纹的最危险区域。图3：全部沉积完成并冷却后最大主应力分布（呈现“虎纹状”层间应力带及角部高应力集中）
2. 宏观变形的定量预测
- 基板两端上翘：沉积区域中心反复的剧烈热膨胀，对基板产生类似“锻造”的效果，导致其两端向上翘曲，预测最大翘曲量约为1毫米。
- 墙体中心下沉：由于基板预先存在的弯曲变形以及墙体中部在后续沉积中累积的热量，导致墙体中部产生轻微凹陷。
图4：制造完成并冷却后的结构竖直位移云图（清晰显示基板翘曲与墙体中心凹陷）
四、DANTE在仿真中的核心价值凸显
本案例中，DANTE的作用远非提供简单的温度相关材料属性。其不可替代的价值体现在：
- 基于物理的相变预测：DANTE依据材料的真实CCT/TTT曲线，精确计算非等温冷却过程中的相变类型、比例及动力学。案例中准确模拟了低碳钢在WAAM冷却条件下主要形成铁素体和珠光体而非硬脆马氏体的微观组织，并计算了对应的体积膨胀。
- 精确的相变应变与潜热贡献：将相变体积应变作为固有应变的一部分直接纳入应力计算，同时考虑相变潜热对温度场的影响，这是实现高精度应力/变形预测的关键。
- 经过工业验证的可靠性：DANTE的核心技术源于数十年的热处理工艺仿真积累，其模型经过大量实际生产数据标定与验证，仿真结果具有高度的工程可信度。
五、从仿真洞察到工程实践与工艺优化
本研究结论为电弧增材制造的工艺开发与质量控制提供了直接、量化的指导：
- 识别并控制高风险区域：针对首层角落的高拉应力区，可采取基板预热、优化起弧位置与路径、或对该区域进行局部工艺参数调整（如降低热输入）等策略，以降低开裂与翘曲风险。
- 实施变形补偿设计：根据预测的基板翘曲量与模式，可在数控编程或工装设计中引入反向预变形，直接打印出几何精度符合要求的构件。
- 科学优化工艺参数：利用该仿真框架，可系统研究层间温度、沉积速度、热输入等参数对残余应力和变形的影响，从而在数字空间中确定最优工艺窗口。
- 指导支撑与基板设计：对于需要后期分离的基板，仿真可辅助选择具有合适热膨胀系数差异的材料，或优化支撑结构设计，使分离过程更可控。
六、结论与展望
面对电弧增材制造中固有的应力与变形挑战，耦合了DANTE高级材料与相变模型的数值模拟，提供了前所未有的、深入到微观组织演变层面的物理洞察。它使工程师能够超越传统试错法，以预测驱动的方式设计和优化工艺。通过本案例可以看到，以DANTE为代表的专业材料仿真工具，正在成为连接增材制造工艺物理与工程实践的关键桥梁，助力航空航天、能源动力等行业真正释放电弧增材制造的巨大潜力。
