《Welding in the World》：Comparative residual stress analysis on a DED-Arc manufactured high-strength steel component using the contour method and XRD
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本文针对电弧直写沉积(DED-Arc)制造的高强度钢轻量化构件中，由局部高热梯度引发的高额残余应力(RS)问题，研究了采用轮廓法(CM)对内部应力场进行全二维映射。研究人员通过优化切割策略，结合坐标测量机(CMM)和3D扫描仪测量变形轮廓，并与表面X射线衍射(XRD)及深度中子衍射结果进行对比验证。研究结果表明，轮廓法可有效量化构件内部的应力峰值分布，并与硬度测量相关联，为评估此类增材制造(AM)构件的结构完整性与服役寿命提供了一种实用、可靠的分析方法，且无需依赖昂贵的中子衍射设备。
在制造业向可持续转型的过程中，轻量化设计是减少碳排放、实现碳中和目标的关键途径之一。拓扑优化设计虽然能有效减轻重量，但也常常带来复杂的三维几何形状，对传统制造方法构成挑战。此时，增材制造技术，特别是基于电弧的直接能量沉积技术崭露头角。这种被称为DED-Arc（或称WAAM）的工艺，凭借其以层堆叠的方式构建零件，提供了巨大的设计自由度。它沉积率高、工艺可靠、易于自动化，能高效地生产大型复杂结构件。当结合使用高强度钢材时，更能实现显著的重量优化，可谓如虎添翼。
然而，高收益背后往往伴随着高风险。DED-Arc制造过程绝非一帆风顺。焊接过程中，移动热源带来的局部加热和不均匀冷却，会在构件内部产生极高的温度梯度，进而引发显著的残余应力。这些“隐藏”的内应力就像构件内部的“隐形杀手”，尤其是高额的拉应力，会显著增加构件产生裂纹和各种失效的风险，对安全性要求高的应用（如起重机械、厂房结构）构成严重威胁。因此，精确掌握残余应力的分布情况，是预测构件服役寿命、评估其结构完整性的重中之重。
为了“看清”并量化这些危险的内部应力，科学家们发展出了多种检测技术，其中X射线衍射和中子衍射是较为成熟的方法。XRD擅长测量表面应力，但穿透深度有限；中子衍射能探测内部应力，但设备昂贵、不易获取。近年来，轮廓法作为一种较新的破坏性测量技术，展现出独特优势：它对微观结构变化不敏感，适用于从薄到厚的各种截面，并能提供整个关注截面上的二维全场应力图，且对设备要求相对友好。那么，轮廓法在分析DED-Arc制造的高强钢复杂构件时，其准确性究竟如何？它能否可靠地映射出内部应力的“藏身之处”？
为此，一项发表在《Welding in the World》期刊上的研究展开了深入探索。研究人员的目标是，利用轮廓法深入剖析一个由DED-Arc制造的高强度低合金钢开口空心长方体的内部纵向残余应力分布。这个构件的尺寸为120 × 50 × 30 mm3，所用材料的屈服强度超过730 MPa。为了验证轮廓法结果的可靠性，研究还同步采用了XRD进行表面应力测量作为对照，并引入了中子衍射的实验结果进行横向比较。此外，残余应力状态还与构件横截面的硬度分布进行了关联分析，以期从微观力学性能角度获得相互印证。
研究人员采用了几项关键的技术方法来开展这项系统性的应力分析。首先，利用机器人辅助的DED-Arc系统，在严格控制热输入和层间温度的条件下，制造了研究用的标准试样。其次，核心的残余应力分析采用了三种方法：1) 轮廓法，通过线切割将构件沿特定平面切开，利用坐标测量机和3D扫描仪高精度测量应力释放后的变形轮廓，再通过有限元模型反演出原始应力场；2) X射线衍射，用于测量构件表面的局部残余应力；3) 中子衍射，作为对比，用于评估构件内部的体应力状态。此外，还通过超声波接触阻抗法对构件横截面进行了系统的硬度测绘，以关联微观硬度与宏观应力。
3.1 轮廓法结果
通过轮廓法，研究成功重建了构件中截面的二维纵向残余应力全场分布图。应力图清晰地显示，在DED-Arc墙体的上部区域出现了显著的应力峰值。具体而言，最高拉应力（约500 MPa）出现在墙体顶部下方第2至3层的位置。而在最顶部几层，应力则转变为压应力（约-250 MPa）。在基底板中，由于沉积层收缩受到约束以及由此产生的弯曲力矩，其中部偏上区域呈现压应力，而底部则呈现拉应力。这完整刻画了由制造工艺和结构约束共同塑造的复杂应力景观。
4.2 CMM与3D扫描仪结果的对比
研究同时使用坐标测量机和3D扫描仪测量了切割后的变形表面。两者获得的位移轮廓和重建的应力分布在趋势上表现出良好的一致性。3D扫描仪凭借其高密度点云数据，能提供更均匀平滑的应力场，尤其在边缘区域受测量局限性的影响较小。而CMM则提供了更高的单点测量精度。两种方法的互补使用，增强轮廓法结果的鲁棒性。
4.3 硬度分析
对墙体横截面的硬度测绘揭示了明显的梯度分布。最顶层（区域1）的硬度最高，平均约为422 HV1，这归因于快速冷却和缺少后续焊道的回火效应，导致了固态相变。下方区域（区域2）由于经历了多次热循环和回火，硬度值较低（300-400 HV1）且分布呈交替模式。高硬度区域通常与材料转变行为相关，这为理解残余应力的形成机制提供了微观力学性能线索。
4.4 XRD结果及其与轮廓法和硬度的关联
XRD表面应力测量显示，在墙体表面，最大拉应力（约460 MPa）同样位于顶部下方数层（第8层），这与轮廓法检测到的体应力峰值位置相符。然而，在最顶层，XRD测得的表面应力为拉应力，而轮廓法显示该层在内部为压应力。这种差异被归因于表面与体部冷却和相变行为的不同步：表面先于内部冷却和发生马氏体转变，导致表面产生拉应力，而内部转变则在约束下产生压应力。硬度最高的顶层区域，其内部压应力和表面拉应力的状态，恰好被轮廓法和XRD的结果分别证实，体现了两种技术在不同尺度上的互补性。
4.5 与中子衍射结果的比较
中子衍射的结果进一步验证了轮廓法的有效性。两者在应力分布形态上定性吻合，峰值拉应力的位置一致。定量上，中子衍射测得的应力值更高（超过700 MPa），接近沉积材料的屈服强度。研究者认为，这可能是由于为进行中子衍射实验而切除了另一侧墙体，导致应力重新分布所致。尽管如此，两种方法都揭示了顶部区域内部存在由相变引起的压应力，与硬度分布揭示的微观结构变化相呼应。
5 结论与讨论
本研究通过综合运用轮廓法、X射线衍射、中子衍射和硬度测量，对DED-Arc制造的高强钢开口空心长方体构件进行了深入的残余应力分析，得出了一系列明确结论。首先，研究证实，通过采用改进的、从中心到两端的“自约束”切割策略，轮廓法可以成功地应用于分析具有复杂约束条件的DED-Arc构件，并获得可靠的内部二维应力场。CMM和3D扫描仪作为两种表面形貌测量技术，在轮廓法应用中互为补充，提高了测量的稳健性。
其次，研究清晰地揭示了该构件特征性的残余应力分布：峰值拉应力并非出现在最顶层，而是位于其下2-3层；最顶层由于快速冷却和固态相变，在内部形成了压应力；基底板则因弯曲效应呈现中部压、底部拉的应力状态。这种分布是工艺热输入、结构约束和材料相变共同作用的结果。
尤为重要的是，轮廓法结果与XRD表面测量、中子衍射体测量以及硬度分布均呈现出良好的定性一致和定量关联。这多方验证表明，轮廓法是一种有效且可靠的、用于映射DED-Arc构件内部残余应力全场的工具。同时，研究也指出，结合相对便捷的XRD表面应力测绘和有针对性的、小范围的轮廓法应用，足以识别和量化此类高强钢增材制造轻量化构件中的有害焊接诱导应力，从而为工程评估提供实用方案，无需总是依赖昂贵且稀缺的中子衍射设备。
这项工作的意义在于，它不仅为评估特定DED-Arc构件的结构完整性提供了详实数据，更重要的是，建立并验证了一套针对复杂高强钢增材制造部件的残余应力综合分析流程与方法学。这对于推动电弧增材制造技术在重型机械、建筑结构等安全关键领域的可靠应用，实现兼具高性能与轻量化的先进制造，具有重要的理论和实践价值。
