基于选区激光熔化铜合金温度场的粉末层厚调控研究.pdf

基于选区激光熔化铜合金温度场的粉末层厚调控研究孔 帅郭越阳刘来瑞李亚琦马士平(中国船舶重工集团公司第七一八研究所河北 邯郸)摘 要:在选区激光熔化()加工过程中粉末层厚是选区激光熔化加工中重要的调控参数之一合理的粉末层厚既可以提高成型质量又可以提高成型效率 基于 温度场模型研究了温度场运动动态过程预测了温度场温度和熔池大小并且定量分析了粉末层厚对温度场温度和熔池大小的影响研究表明:粉末层厚对温度的影响较小对于熔池长度的影响相对于熔池宽度和深度更为明显关键词:粉末层厚 选区激光熔化()温度场温度 熔池中图分类号:文献标识码:文章编号:():().:()引言增材制造()技术是一种新的快速成形和制造技术在数学模型的指导下能够通过有选择性的熔化粉末来构建 复杂零件 选择性激光熔化()工艺是生产 复杂零部件的最常见的 方法之一 和传统的制造技术相比 具有生产周期短、材料利用率高、无需刀具或磨具等优势 因此它被应用于航空航天、汽舶、生物医学等各个领域 通常在选区激光熔化过程中粉末层厚度是一个重要的工艺调控参数 等人对选择性激光熔化 不锈钢形成过程进行了研究研究表明:低层厚度()工艺下相对密度可以达到.等人将 粉层的层厚度从 增加到 发现块状样品的相对密度可以达到.的范围并且建筑率可以提高 倍以上 迄今为止当前对于粉末层厚的研究大都是通过实验分析 随着计算机技术的发展数值仿真已经成为一种方便有效的方法来研究 加工 英国利兹大学的 等人进行了不锈钢和工具钢材料的 成形仿真与试验并探究了当激光束熔融金属粉末为液态熔池时相应的温度场随时间变化的规律结果表明:其仿真得到的温度场结果与实际监测的温度变化趋势基本一致 瑞士伯尔尼大学的 等人采用了热源监测与仿真分析的方法对比了脉冲激光光源与连续激光光源对钛合金粉末成形过程中的温度分布规律研究结果显示脉冲式激光光源的熔池最高温度与平均温度均高于连续式激光光源 因此本文基于 有限元模型分析了不同粉末层厚对温度场的影响为粉末层厚调控提供理论基础 温度场仿真本文基于有限元理论使用 软件对 过程中的温度场进行仿真模拟建立了选区激光熔化铜合金温度场有限元模型 图 温度场有限元模型本文所建立的有限元模型分为粉末层和基板为了便于计算对模型进行了简化如图 所示 粉末 层 的 长 度 为 宽度为.厚度为.基板的尺寸为.基板的网格大小为.为了提高模型计算精度对粉末层网格划分应更为精细网格大小为.该模型一共被划分成 个单元并且粉末层和基板都是使用 实体热单元为了研究不同层厚对温度场的影响保持激光功率和扫描速度不变改变粉末层厚参数 激光功率和扫描速度分别为 和 /粉末层厚为 具体参数如表 所示 本文仿真采用的铜合金材料为 粉末其化学成分如表 所示表 不同粉末层厚下的工艺参数组合参数值增量粉末层厚 扫描速度 /激光功率 表 粉末合金成分().不同粉末层厚对温度场的影响粉末层厚是影响 加工的重 要 参 数 之一为了研究粉末层厚度对成型质量的影响机理本文基于温度场有限元模型分析了不同粉末层厚对温度场温度和熔池的影响.粉末层厚对温度场温度的影响图 为不同粉末层厚下的温度随时间变化的曲线图从图中可以看出三条曲线基本重合并且随着粉末层厚的增加温度略有升高粉末层为、时的最大温度分别为.、.、.这可能主要是因为铜合金传热性能好粉末层厚越小越容易导致热量扩散到基板上从而使温度降低 通过温度对比分析可以认为在一定范围内粉末层厚虽然对温度有影响但是影响并不大相对于激光功率和扫描速度对于温度场温度大小的影响粉末层厚的影响可以忽略 T?N?N?N图 不同粉末层厚下温度随时间变化图.粉末层厚对温度场熔池结构的影响图 为不同粉末层厚下熔池分布云图对比其中图()、图()和图()分别是粉末层厚为、和 时的熔池云图从图中可以看出:粉末层厚为、和 时熔池云图基本相同这表明在一定范围内粉末层厚对温度场熔池的影响不大B?NC?ND?N图 不同粉末层厚下熔池云图对比温度场的成型过程是逐层铺粉为了可以使每个熔化层之间有效结合需要对粉末层厚进行合理调控 图 为粉末层厚与熔池深度的关系图当粉末层厚太小时熔池深度远远大于粉末层厚这样会降低成形效率但是当熔池深度远远小于粉末层厚时又会导致粉末不能完全熔化从而降低工件成形质量只有当熔池深度略大于粉末层厚度时成形质量最为合适图 粉末层厚与熔池深度的关系图 为不同粉末层厚下熔池切片对比图通过对比图可以看出图()、图()和图()对应的粉末层厚不同分别为 、和 当粉末层厚为 时熔池深度要远远大于粉末层厚这虽然不会降低工件的成形质量但是这不利于工件的成形效率当粉末层厚为 时熔池深度略大于粉末层厚此时熔池与熔池之间的搭接可以很好地结合粉末层厚刚好合适当粉末层厚为 时粉末层厚远远大于熔池深度此时粉末层粉末不能完全熔化这将不利于粉末层与粉末层之间的结合影响工件质量和精度 因此在选区激光加工过程中粉末层厚需要控制在合理的范围内既不能过大也不能过小要略微大于熔池的深度图 不同粉末层厚下熔池云图切片对比为了进一步定量分析不同粉末层厚下的熔池尺寸对 、和 下的熔池长度、宽度和深度进行了测量 如图 所示:当粉末层厚为 时熔池的长度、宽度和深度分别为、和 当粉末层厚为 时熔池的长度、宽度和深度分别为 、和 通过对比发现随着扫描层厚的增加熔池的长度、宽度和深度都略有增加其中对熔池长度的影响相对于熔池宽度和深度更为明显图 不同粉末层厚下熔池尺寸 结论)本文基于 温度场有限元模型通过改变粉末层厚(其他工艺参数不变)预测了不同粉末层厚下温度场的温度变化规律和熔池结构分析了不同粉末层厚对温度场的影响粉末层厚对温度场温度的影响较小粉末层厚对熔池大小的影响为:随着扫描层厚的增加熔池的长度、宽度和深度都略有增加其中对熔池长度的影响相对于熔池宽度和深度更为明显)粉末层厚虽然对温度场温度的影响较小但它是影响成型质量的重要参数通过调整粉末层厚的大小可以使粉末层与层之间实现良好搭接实现高效成型 本文仅从粉末层厚的角度分析了对温度场的影响除了粉末层厚外激光功率、扫描速度、扫描间距等都是影响成型质量的重要工艺参考文献 .():.():.:.():./:.:.:.:.:():.:.():.():.作者简介:孔帅()男助理工程师硕士研究生学历毕业于北京工业大学机械工程专业现主要从事气象制氢技术研究收稿日期: