電弧增材制造過(guò)程涉及絲材的送入和熔化，熔融金屬向熔池的過(guò)渡，熔池中液態(tài)金屬的對(duì)流、凝固和成形。缺陷的形成與電弧增材制造過(guò)程中發(fā)生的復(fù)雜多物理場(chǎng)現(xiàn)象密切相關(guān)。因此，需要借助高保真數(shù)值模擬技術(shù)來(lái)深入理解這些物理現(xiàn)象，并將其作為優(yōu)化工藝條件、制造高質(zhì)量產(chǎn)品的理論依據(jù)。本文綜述了電弧增材制造傳熱傳質(zhì)數(shù)值模擬涉及的關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)未來(lái)研究方向進(jìn)行了展望：首先，介紹了幾種典型的熱源模型，鑒于電弧增材制造過(guò)程中熔池的形成與演變是多種驅(qū)動(dòng)力共同作用的結(jié)果，分析了浮力、電磁力、表面張力、電弧壓力、電弧剪應(yīng)力模型對(duì)流體流動(dòng)和熔池表面變形的影響。

熔池行為是多種驅(qū)動(dòng)力共同作用的結(jié)果，重力、浮力、電磁力、表面張力、電弧壓力、電弧剪應(yīng)力等驅(qū)動(dòng)力對(duì)流體流動(dòng)和熔池表面變形均有影響。由于液態(tài)金屬在較高溫度下的密度較低，金屬內(nèi)部各部分之間存在密度差異。因此，在熔池中心產(chǎn)生向上的浮力，液態(tài)金屬由底部流向頂部，到達(dá)上表面后流向熔池邊緣。熔池中心的溫度高于熔池邊緣的溫度，一般金屬熔液表面張力溫度梯度為負(fù)值，會(huì)形成熔池中心的高溫液態(tài)金屬流向熔池邊緣溫度較低區(qū)域的流動(dòng)模式，距離中心越遠(yuǎn)，液態(tài)金屬流速越快。受表面張力驅(qū)動(dòng)的Marangoni力的影響，熔池的形狀寬且淺。液態(tài)熔池受到感應(yīng)磁場(chǎng)的影響，會(huì)引起液態(tài)金屬的對(duì)流流動(dòng)。在熔池表面，液態(tài)金屬由熔池邊緣向熔池中心流動(dòng)。

如圖1a、b所示，沿x軸和y軸方向的電磁力從圓弧外圍指向中心，在距圓弧中心處達(dá)到峰值。沿z軸方向的電磁力垂直向下，在工件表面達(dá)到峰值，如圖1c所示。在熔池內(nèi)部，液態(tài)金屬由熔池上部沿中心線向下流動(dòng)，再沿液固界面流向熔池表面，最大流速出現(xiàn)在熔池中間區(qū)域，熔池底部產(chǎn)生凸起，熔池隨之變深，這與大多數(shù)研究的結(jié)果一致；在熔滴內(nèi)部，Cadiou等研究發(fā)現(xiàn)電磁力促成了熔滴的扁平化，這導(dǎo)致沿液橋的表面張力增加，在熔滴從焊絲上分離之前，表面張力占主導(dǎo)地位，在脈沖階段，電磁力沿液橋強(qiáng)烈增加，導(dǎo)致液滴脫離，如圖1d所示。

圖1電磁力分布：（a—c）熔池內(nèi)部笛卡爾坐標(biāo)系x、y、z方向；（d）熔滴內(nèi)部

電弧壓力是形成熔池凹陷區(qū)的驅(qū)動(dòng)力。熔池中心表面的液態(tài)金屬受到較大的壓力，向周圍移動(dòng)。液態(tài)金屬在熔池中心區(qū)域流速最大，而越靠近熔池底部流速越小。這種流動(dòng)模式允許更多的熱量從熱源傳遞到熔池底部，從而導(dǎo)致深度滲透。如圖2所示，液態(tài)金屬在電弧壓力的驅(qū)動(dòng)下被推到熔池的后部，并在凝固時(shí)形成冠狀。

圖2電弧壓力作用下熔池的形貌

電弧剪切應(yīng)力的存在是由于電弧等離子體中既有動(dòng)能又有動(dòng)量。當(dāng)電弧等離子體從熔池中心撞擊熔池時(shí)，熔池表面會(huì)受到向外的剪切應(yīng)力。類似于表面張力，熔池表面的剪切應(yīng)力促使液態(tài)金屬向外流動(dòng)。它通常在靜止焊接或低速焊接過(guò)程中呈軸對(duì)稱分布，如圖3所示，從電弧中心到邊界，電弧剪切應(yīng)力先急劇增加后減小。在高焊接速度下，電弧沿焊接方向變形，產(chǎn)生非軸對(duì)稱分布的電弧剪切應(yīng)力，此時(shí)可以假設(shè)電弧剪切應(yīng)力分布在一個(gè)雙橢圓區(qū)域。

圖3電弧剪切應(yīng)力分布示意圖

現(xiàn)階段通常使用一個(gè)或多個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)模擬熔池驅(qū)動(dòng)力，這種方法簡(jiǎn)單易用，可以快速計(jì)算出驅(qū)動(dòng)力的變化情況。然而，在模擬過(guò)程中，需要進(jìn)行一些假設(shè)和約定，這可能導(dǎo)致模擬結(jié)果的不精確或不可靠；其次，熔池驅(qū)動(dòng)力模型存在一定的簡(jiǎn)化和近似，可能會(huì)忽略一些細(xì)節(jié)和復(fù)雜的物理現(xiàn)象，這也會(huì)對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生影響；此外，在模擬過(guò)程中需要輸入大量的參數(shù)和設(shè)置，如果這些參數(shù)和設(shè)置不正確，將會(huì)對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生影響。

本文綜述了WAAM傳熱傳質(zhì)數(shù)值模擬涉及的關(guān)鍵技術(shù)。在WAAM過(guò)程中，熔池的形成與演變是多種驅(qū)動(dòng)力共同作用的結(jié)果，其中，電磁力、表面張力、電弧壓力、電弧剪應(yīng)力等驅(qū)動(dòng)力模型以源項(xiàng)的形式添加到動(dòng)量方程中。考慮到電弧的變形，部分學(xué)者還建立了非軸對(duì)稱分布的驅(qū)動(dòng)力模型。速度入口填充液態(tài)金屬的過(guò)渡模型一般用于GMAW和CMT熱源類型。將過(guò)渡金屬假設(shè)為球狀的方法操作簡(jiǎn)單，容易收斂，被大多數(shù)模型所采納。固態(tài)金屬焊絲模型相對(duì)復(fù)雜，能夠預(yù)測(cè)不同的過(guò)渡方式和詳細(xì)的過(guò)渡動(dòng)態(tài)。建模域通常被視為兩相流問(wèn)題，其中與VOF法相比，LS法能預(yù)測(cè)更銳利的界面。但是，LS法不能嚴(yán)格保證質(zhì)量守恒，而VOF法可以更好地保證質(zhì)量守恒。因此，VOF法得到了更廣泛的應(yīng)用。上述開(kāi)發(fā)的模型能夠模擬具有動(dòng)態(tài)自由表面的熔池，但是還存在一些局限，未來(lái)發(fā)展前沿涉及：

（1）提高精度和可靠性。由于這些模型不可避免地基于一些假設(shè)并進(jìn)行簡(jiǎn)化，例如，工藝參數(shù)對(duì)孔隙、咬邊等缺陷的影響經(jīng)常被忽略，在數(shù)值建模中，必須考慮這些現(xiàn)象，以更全面地預(yù)測(cè)熔池的動(dòng)力學(xué)和形態(tài)。此外，為了提高對(duì)模擬結(jié)果的評(píng)估準(zhǔn)確性，需要加強(qiáng)驗(yàn)證模擬的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和方法的準(zhǔn)確性。

（2）探索熱學(xué)、固體力學(xué)和冶金現(xiàn)象耦合的多尺度模擬。

增材制造工藝涉及廣泛的長(zhǎng)度和時(shí)間尺度，從熔池的動(dòng)態(tài)變化到最終零件的微觀結(jié)構(gòu)。開(kāi)發(fā)多尺度的仿真工具有助于全面理解成形過(guò)程，并預(yù)測(cè)制造的零件的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)。值得注意的是，多尺度模型可能更為復(fù)雜。

（3）結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)與人工智能技術(shù)。隨著模型復(fù)雜程度的提升，仿真時(shí)間和計(jì)算量迅速增加。將數(shù)值計(jì)算與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，充分挖掘計(jì)算數(shù)據(jù)意義的同時(shí)提高計(jì)算速率，為突破當(dāng)前局限提供了一種可行的技術(shù)手段。