（机械制造及其自动化专业论文）变占空比中空激光光内送粉熔覆熔池温度场研究.pdf

4 1 t ，! ，2 1 上 苏州大学学位论文使用授权声明 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 即：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献 信息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存和汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索。 涉密论文口 本学位论文属在年月解密后适用本规定。 非涉密论文日 论文作者签名： 导师签名： 期：垄! ! ：兰2 期：型竺掣一 i 变占空比中空激光光内送粉熔覆熔池温度场研究中文摘要 中文摘要 本文采用“光束中空，粉管居中，光内送粉”设计原理，基于自主研发的光 内送粉成形工艺与装置，运用有限元等手段，对变占空比( 环形光内外径之比) 中空激光光内送粉熔覆熔池温度场进行了研究。 对光内送粉和光外送粉系统中的粉末与激光的耦合机理进行了分析和比较， 对金属粉末的利用率进行了简单建模。实验证明，光内同轴送粉成形过程中，粉 流稳定易控，光粉耦合性好。在现有条件下测试出金属粉末的有效利用率比传统 光外送粉工艺中的粉末利用率提高2 3 倍。 运用a n s y s 有限元分析软件，针对光内送粉激光快速成形工艺，建立了温度 场的瞬态有限元模型，采用有限元单元生死技术模拟了熔覆层的沉积生长过程。 模拟分析与实验结果对比表明：所得的激光熔覆温度场模拟结果与实验结果较吻 合，从而证明了本文数值模拟的可行性，为光内送粉激光熔覆快速成形新工艺及 其送粉系统的设计提供理论支持。 利用a p d l 参数化设计语言实现热源移动，利用焓处理相变潜热的影响，对 f e 3 1 3 合金成形件的温度场进行了数值模拟，系统分析了环形光作用下熔覆熔池温 度场随时间变化的规律。结果表明：由于热积累效应，熔池内的温度会随着时间 和熔覆层高度的增加越来越高。 改变占空比，对比温度场分布云图，可以得出：占空比k 的变化影响熔池的 形状、位置和能量密度的分布，进而影响成形件的质量。结果表明：k 值为 o 3 5 ， o 6 时，熔池的形状里“马鞍或月牙”形；熔池位置稍稍偏后于激光束中心且偏向 两侧；熔池能量密度的分布随k 的增大趋于均匀。 在p = 3 0 0 0 w ，光斑直径4 m m ，扫描速度v = 5 m m s 等工艺参数下，分别选k 为o 、0 3 5 、0 6 时进行单层和多层熔覆实验，结果表明：各熔池形貌与对应的数 值模拟温度场云图比较一致；k 为o 3 5 的环形光所得的熔覆层微观组织较佳，熔 覆层与基体的冶金结合效果较好。 本文激光熔覆熔池温度场的有限元模拟与熔覆实验取得了较为一致的结果。 模拟研究为保证激光熔覆层质量且获得形貌质量高、组织致密的薄壁成形件、提 优化的工艺参数取得了明显成效。 键词：占空比，中空激光，光内送粉，熔覆熔池，温度场，数值模拟 作者：石皋莲 指导老i j i l i 石世宏 a b s t r a c t s l l i d y 伽t h e 删l 舶p o o lt e m p e r a t u r ef i e l do f l a 蝣c l a d d i n gu n d e rr a t a b l ed u t yc y c l ei n n t m a jh o l i 删p 塑垦吵i 呻! 型! f e e d i n gt 代, h a o l o g y s t u d yo nt h em o l t e n p o o lt e m p e r a t u r ef i e l do fl a s e r c l a d d i n gu n d e r v a r i a b l ed u t yc y c l ei ni n t e r n a lh o l l o w l a s e rc o a x i a lp o w d e rf e e d i n g t e c h n o l o g y a b s t r a c t t h i sp a p e ru s e d ”h o l l o wb e a m ，c e n t r a lp o w d e rp i p e ，i n s i d e b e a mp o w d e rf e e d i n g d e s i g np r i n c i p l ea n ds e l f - d e v e l o p e di n s i d e - b e a mp o w d e rf e e d i n gf o r m i n gp r o c e s sa n d d e v i c et os t u d yt h em o l t e np o o lt e m p e r a t u r ef i l e di nv a r i a b l ed u t yc y c l e ( r a t i oo fi n n e r a n do u t e rd i a m e t e rr i n go fl i g h t ) h o l l o wl a s e ri n s i d e b e a mp o w d e rf e e d i n g t h ec o u p l i n gm e c h a n i s mo ft h ep o w d e ra n dt h el a s e rs y s t e mi ni n s i d e b e a m p o w d e rf e e d i n ga n do u t s i d e b e a mp o w d e rf e e d i n gi sa n a l y z e d ；as i m p l em o d e lf o rt h e u t i l i z a t i o no fm e t a lp o w d e rw a sb u i l t e x p e r i m e n t sd e m o n s t r a t e dt h a ti ni n s i d e b e a m c o a x i a lp o w d e rf e e d i n gf o r m i n gp r o c e s s ，t h ep o w d e rf l o ww a ss t a b l ea n de a s yt oc o n t r o l ， t h ec o u p l i n go fl a s e rp o w d e rw a sb e t t e r i n t h ee x i s t i n gc o n d i t i o n s ，t h ee f f e c t i v e u t i l i z a t i o no fm e t a lp o w d e r st e s t e dw a s2t o3t i m e st h a nt r a d i t i o n a lo u t s i d e b e a m p o w d e rf e e d i n gt e c h n o l o g y u s e da n s y sf i n i t ee l e m e ma n a l y s i ss o f t w a r ef o ri n s i d e - b e a mp o w d e rf e e d i n g r a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y , t h et r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l df i n i t ee l e m e n tm o d e lw a s e s t a b l i s h e d ，e l e m e n tb i r t ha n dd e a t ht e c h n o l o g yw a su s e dt os i m u l a t et h ed e p o s i t i o n p r o c e s so ft h ec l a d d i n gl a y e r s s i m u l a t i o na n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a l r e s u l t sw e r e c o m p a r e d ：l a s e rc l a d d i n gt e m p e r a t u r ef i e l ds i m u l a t e dr e s u l t si ng o o da g r e e m e n tw i t ht h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w h i c hp r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，p r o v i d e d t h e o r e t i c a ls u p p o r tf o rt h ed e s i g no fi n s i d e b e a mp o w d e rf e e d i n gl a s e rc l a d d i n gr a p i d p r o t o t y p i n gp r o c e s sa n di t sp o w d e rf e e d i n gs y s t e m p a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g ea p d lw a su s e dt oa c h i e v eh e a ts o u r c em o v e m e n t ；t h e i n f l u e n c eo fl a t e n th e a te n t h a l p yd e a lw a su s e dt os i m u l a t et h et e m p e r a t u r ef i e l do f f e 313a l l o yf o r m i n gp a r t s ；t h ec l a d d i n gb a t ht e m p e r a t u r ef i l e da c c o r d i n gt ot i m e v a r i a t i o nu n d e rr i n g l i g h t w a sa n a l y z e d ；t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：a st h eh e a t a c c u m u l a t i o ne f f e c t ，t h et e m p e r a t u r ei n s i d et h em o l t e np o o li n c r e a s e da c c o r d i n gt ot h e i n c r e m e n to f t i m ea n dt h ec l a d d i n gl a y e rh e i g h t c h a n g e dt h ed u t yc y c l e ，c o m p a r e dt ot h et e m p e r a t u r ef i e l dc o n t o u r sc a nb ed r a w n ： t h ed u t yc y c l eka f f e c t e dt h ep o o l ss h a p e ，l o c a t i o na n dd i s t r i b u t i o no fe n e r g yd e n s i t y , t h e r e b ya f f e c t e dt h eq u a l i t yo ff o r m e dp a r t s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：w h e nkw a s i n 0 3 5 ，o 6 】，t h ep o o l ss h a p ew a s ”s a d d l eo rc r e s c e n t ”s h a p e ；p o o ll o c a t i o nw a sal i t t l e d e v i a t i o na f t e rt h el a s e rb e a mc e n t e ra n db i a s e do nb o t hs i d e s ；p o o ld i s t r i b u t i o no f e n e r g yd e n s i t y b e c a m eu n i f o r ma c c o r d i n gt ot h eki n c r e m e n t w h e n p = 3 0 0 0 w , s p o td i a m e t e rw a s4 m m ，s c a n n i n gs p e e dv = 5 m m sa n dk w a s c h o s e n0 ，0 35 ，0 6i ns e q u e n c e ，t h er e s u l t so fs i n g l ea n dm u l t i c l a d d i n ge x p e r i m e n t s s h o w e dt h a t ：t h ep o o lm o r p h o l o g yw a si na c c o r d a n c ew i t ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no f t e m p e r a t u r ef i e l dc l o u d ；w h e nk w a so 3 5 ，t h em i c r o s t r u c t u r eo fc l a d d i n gu n d e rr i n go f l i g h tw a sb e t t e r , t h em e t a l l u r g i c a lb o n d i n ge f f e c to fc l a d d i n gl a y e ra n dt h es u b s t r a t ew a s b e t t e r t h ef e ms i m u l a t i o no fm o l t e np o o lt e m p e r a t u r ef i l e do fl a s e rc l a d d i n gw a si n a c c o r d a n c ew i t ht h er e s u l t so fc l a d d i n ge x p e r i m e n t s t h es i m u l a t i o ns t u d yi nt h i sp a p e r a c h i e v e dr e m a r k a b l ea c c o m p l i s h m e n t s ，i te n s u r e dt h eq u a l i t yo fl a s e rc l a d d i n gl a y e r ； o b t a i n e dt l l i i lw a l lf o r m i n gp a r to fh i g hq u a l i t ym o r p h o l o g ya n dc o m p a c ts t r u c t u r ea n d p r o v i d e do p t i m i z e dt e c h n i c a lp a r a m e t e r s k e y w o r d s ：d u t yc y c l e ，h o l l o wl a s e r , i n s i d e b e a mp o w d e rf e e d i n g ，c l a d d i n g p o o l ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v w r i t t e n b y ： s u p e r v i s e db y ： g a o 1 i a ns h i s h i - h o n gs h i 目录 第一章绪论1 1 1 前言l 1 2 基于激光熔覆的快速成形制造( l c i 泓) 技术”1 1 2 1l c r m 技术的原理与特点2 1 2 2l c r m 技术中的关键技术3 1 3 激光熔覆熔池温度场研究现状一4 1 3 1 国外的研究状况”4 1 3 2 国内的研究状况”5 1 4 本文研究的意义和主要内容6 1 4 1 研究的意义6 1 4 2 研究的主要内容7 1 5 本章小结9 第二章环形中空激光能量分布与熔池的理论研究1 0 2 1 引言1o 2 2 环形中空激光光内同轴送粉光粉几何耦合1 0 2 2 1 环形中空激光光内同轴送粉光粉的耦合过程”1 1 2 2 2 光内同轴送粉粉末有效利用率1 2 2 3 环形中空激光光斑内能量分布理论研究1 3 2 3 1 激光模式选择1 3 2 3 2 环形中空激光束的能量分布模型1 5 2 3 3 占空比变化对能量密度分布的影响1 6 2 4 环形中空激光内送粉激光熔池的理论研究1 8 2 4 1 环形中空激光熔池三维流场18 2 4 2 环形中空激光下熔覆层表面形貌2 0 2 5 本章小结2 1 第三章光内送粉激光熔覆熔池温度场数值模拟2 2 3 1 引言”2 2 3 2 激光熔覆传热学基本理论2 2 3 2 1 熔覆过程热传导方程2 2 3 2 2 边界条件”2 3 3 2 3 初始条件2 4 3 3 光内送粉熔覆层温度场有限元模型的建立2 4 3 3 1 物理模型与网格划分2 4 3 3 2 单元选择与材料物性参数2 5 3 3 3 热边界条件的确定2 7 3 3 4 相变潜热的处理2 9 3 4 光内送粉熔覆层温度场的求解3 0 3 4 1 热流密度的数学模型3 0 3 4 2 环形中空激光能量在熔池表面的分布3 0 3 4 3 循环求解温度场31 3 5 本章小结3 3 第四章环形中空激光光内送粉熔覆熔池温度场计算结果分析3 4 4 1 弓l 言3 4 4 2 中空激光快速成形过程温度场分布3 4 4 2 1 单层熔覆3 4 4 2 2 多层熔覆：3 6 4 3 变占空比中空激光熔池温度场分布3 9 4 3 1 占空比k _ 0 时激光束熔池温度场分布3 9 4 3 2 占空比k = 0 3 5 时激光束熔池温度场分布4 1 4 3 3 占空比k = o 6 时激光束熔池温度场分布4 3 4 4 占空比的变化对温度场分布的影响4 4 4 5 本章小结4 6 第五章环形中空激光光内送粉快速成形实验4 7 5 1 引言4 7 5 2 实验条件4 7 5 2 1 光内送粉激光熔覆快速成形系统”4 7 5 2 2 送粉方式选择4 9 5 2 3 送粉喷头的设计5 0 5 2 4 温度测量系统5 1 5 3 实验设计5 2 5 3 1 实验材料5 2 5 3 2 环形中空激光单层、多层熔覆实验5 2 5 3 3 不同占空比环形光激光熔覆实验5 2 5 4 实验结果与数值模拟结果比较5 3 5 4 1 单道单层激光熔覆结果分析5 3 5 4 2 单道多层激光熔覆结果分析5 4 5 4 3 不同占空比环形中空激光熔覆层微观组织5 5 5 5 本章小结5 8 第六章总结与展望5 9 6 1 全文总结5 9 6 2 展望6 0 参考文献6 l 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文6 5 附录6 6 附录一熔覆层温度场仿真计算程序6 6 致谢7 4 一一 变占空比中空激光光内送粉熔覆熔池温度场研究 第一章绪论 1 1前言 快速原形( r a p i dp r o t o t y p i n g ，r p ) 技术又称快速成型技术，2 0 世纪8 0 年代 诞生于美国，迅速传至欧洲国家和日本，并且于上世纪九十年代初传入我国，它 的出现被认为是近2 0 年来制造技术领域的一次重大突破。快速原形技术集成计算 机技术、数控技术、激光技术和材料科学技术等技术于一体，可以自动、快速、 精确地将设计思想转化成原形零件，从而对产品可能出现的问题进行迅速的评价、 改动、试验，大大地缩短了产品的研发周期，加快了产品更新换代的速度，降低 了企业投资新产品的风魁1 1 【2 】【3 】。 快速成形制造技术在原理上一般均采用分层累加法，按照工艺路线的不同可 以分为1 0 多种，比较成熟且已商品化的成形方法有立体印刷成形法( s t e r e o l i t h o g r a p h ya p p a r a t u s ，s l a ) 、叠层制造法( l a m i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g ，l o m ) 、 选择性激光烧结法( s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ，s l s ) 、熔融沉积造型法( f u s e d d e p o s i t i o nm o d e l i n g ，f d m ) 等。然而，由于所使用的材料多为树脂、塑料、纸张 等，这就决定了其生产的零件力学性能不高，加之成形专用材料价格昂贵，因而 限制了该项技术在现代装备制造业的大规模应用 4 1 ，这也促进了基于激光熔覆的快 速成形( l a s e rc l a d d i n gf o rr a p i dm a n u f a c t u r i n g ，l c r m ) 技术的迅速发展。 1 2 基于激光熔覆的快速成形制造( l c 砌江) 技术 基于激光熔覆的快速成形( l a s e rc l a d d i n gf o rr a p i dm a n u f a c t u r i n g ，l c i 洲) 技术又称近形技术( l a s e re n g i n e e r i n gn e ts h a p i n g ) ，这种技术是目前国际激光材 料加工领域的研究前沿之一，也是激光快速成形制造技术的进一步发展，它将现 有的快速成形技术从非金属的模型推进到了各种金属和高温合金零件近净成形直 接制造的新高度，是快速成形技术和激光材料加工技术的集成，已成为了快速成 形技术未来发展的一个重要方向【l j 【5 】。与传统喷涂工艺相比，l c r m 技术综合了激 光熔覆与快速成形技术的共同优点：熔覆层组织致密，晶粒细小，具有较好的抗 氧化、耐腐蚀、耐磨损等性能；熔覆层与基材呈良好的冶金结构，结合强度较高； 对基材的热输入量小，基材的热影响区较小；基材对涂层的稀释度较小；激光表 第一章变占空比中空激光光内送粉熔覆熔池温度场研究 面熔覆过程可精确控制，后续机械加工量小；可对工件局部进行局部熔覆处理， 处理部位变形小，熔覆部位可控性好，易实现自动化。等等。 1 2 1l c r m 技术的原理与特点 1 ) l c r m 技术的原理 常用l c r m 技术的基本原理是：首先完成被加工件的3 d 模型( 数字模型、 c a d 模型) ，接着根据工艺要求，采用分层软件对其进行处理，把原3 d 模型变成 一系列的层片的有序叠加；再根据获取的每个截面的几何信息，将其转化为n c 工 作台的运动轨迹信息；控制高功率激光与送粉喷嘴和数控机床之间的相对运动， 金属粉末通过同轴送粉喷嘴被连续地喷入熔池内，材料被逐点、逐线、逐面熔凝 成形，逐层堆积，最后得到金属实体零件【6 】。l c r m 技术的原理图如图1 1 所示： 图1 1l c 砌江技术原理示意图 2 ) l c i 洲技术的特点 ( 1 ) 可以快速加工出形状复杂、较高精度的金属零件，制造柔性高，尤其对 于传统加工技术中难于加工的零件，且制造速度快，属于无模制造，可减少产品 开发制造的周期和成本。 ( 2 ) 可以得到许多常规材料在常规条件下无法得到的组织，省去了热处理工 序，大幅度提高材料的各方面性能。从表1 中也可以看出激光熔覆快速成形零件 与传统工艺条件下加工出的金属零件性能相比，其力学性能比较高。 ( 3 ) 可在成形零件任意部位进行材料、结构的修改，形成不同的组织和结构， 合理控制零件的性能，实现了零件材质和性能的最佳搭配。 ( 4 ) 直接使用金属材料制作零件或近形件，成形的零件可不需要进行后处理， 2 变占空比中空激光光内送粉熔覆熔池温度场研究 第一章 或少量的后处理，材料利用率高，环境污染小。对于新产品的开发和中小批量 零件的生产更有优势。 表1 不同工艺条件下金属零件性能比较【7 】 材料制造工艺屈服强度( m p a )抗拉强度( m p a )伸长率( ) 激光快速成型 2 9 6 5 7 9 4 1 3 1 6 不锈钢 锻造+ 退火 2 6 25 7 26 3 熔模铸造 2 6 9 5 1 7 3 9 激光快速成型 4 5 06 6 64 8 8 6 9 0 镍镉铁合金 热轧 3 7 27 3 85 0 激光快速成型+ 9 5 81 0 2 76 2 退火 t i 6 a i 4 v 钛合金 锻造+ 退火 8 2 7 1 0 0 09 3 1 1 0 6 91 5 2 0 铸造+ 退火 8 8 9 1 0 1 41 0 作为一项革命性的添加式制造技术，l c r m 技术顺应了现代制造业的发展需 求，在航天航空、汽车船舶、武器装备等大型制造领域中的高性能特种零件和民 用工业中的高精尖零件的制造领域得到了很大的发展，具有很好的应用前景。激 光熔覆快速制造的先进技术其表征有：材料添加式制造、柔性制造、绿色制造、 梯度化制造、单一过程制造、敏捷制造、快速制造、个性化制造、非接触性制造 等。因此，被称为体现信息化社会制造特征的革命性制造技术。 1 2 2l c r m 技术中的关键技术 ( 1 ) 激光与熔覆技术【8 】【9 】。在l c r m 技术中，所使用的激光器的性能指标很 重要，对成形过程有着很大的影响，直接影响到成形零件的质量。同时，l c r m 技术结合了激光熔覆技术和快速成形c a d 切片分割处理技术，将激光熔覆层运用 快速成形技术堆积起来，进而形成金属零件，其中的激光熔覆技术作为l c r m 技 术的基础，是能否成形出三维零件的一个重要的关键技术。 ( 2 ) 数控技术。主要包含计算机三维零件的切片划分技术和机床的运动控制 等。数控技术是一个复杂的金属零件能否运用l c r m 进行制造的基础。目前研究 开发三维切片软件的研究单位很多，但是专门针对l c r m 中的切片软件的相对较 少，有待更深入的研究。机床的运动控制也是影响制造过程的一个重要因素。 ( 3 ) 光粉输变耦合及送粉技术。在l c r m 中，能否设计出合理的送粉喷头是 一项非常关键的环节。激光与金属粉末、气体的最后输变耦合是靠送粉喷头来实 现的，送粉喷头通过对激光束和粉末的输变、转换、整形而实现耦合。成形件的 表面质量和内部性能的好坏与光粉耦合方式有着很大的关系。送粉器在l c r m 系 3 第一章变占空比中空激光光内送粉熔覆熔池温度场研究 统中也有着重要的作用。送粉系统中包括送粉器、分粉器、送粉头等，其中送粉 的要求是能够将金属粉末均匀、连续、稳定的输送出来，分粉器需要将送粉器输 送过来的粉末均匀分出再连续送到送粉头内部，最后进入激光熔池。这些都是能 否成形出高质量零件的前提，目前，市场上也有许多采用不同原理制作的送粉器， 可以进行选择。 1 3 激光熔覆熔池温度场研究现状 激光熔覆成形技术是一种将激光快速成形技术与激光熔覆技术相结合的先进 制造技术。能够实现复杂结构、致密金属零部件的直接成形，能够将已到服务寿 命或者因过度磨损、腐蚀、氧化、等原因失效的零部件进行修复，具有材料应用 范围广、零件内部可实现梯度功能、节省成本、缩短生产周期等优势，因此具有 广阔的工程应用前景。国内外1 0 。2 叼已有多家机构对该项技术进行了深入研究，并 取得了一系列可喜的成果，在装备制造业、模具制造业以及航空航天领域内零件 的制造与修复方面都得到了广泛应用。 然而大量文献【lo 】清晰表明，激光熔覆伴随有传热、辐射、固化、分子取相及可 能的结晶等物理变化，这些过程的进展取决于熔池的温度场，并直接影响到熔池 的形状和熔覆层的组织性能，所以熔池温度场与激光熔覆层质量( 组织、性能、 表面粗糙度等) 有直接关系。利用熔池温度场数值模拟所提供相关优化的工艺参 数，可以初步保证激光熔覆层质量。 1 3 1 国外的研究状况 近几十年来，激光熔覆过程中温度场的数值模拟研究是国外大学的主要研究 课题之一，加拿大滑铁卢大学机械工程系e t o y s e r k a n i 1 1 】等人建立了三维瞬态有限 元模型，预测熔覆层几何形状与时间工艺参数的函数关系，模拟激光熔池的三维 形貌和温度场，给出熔覆层厚度的理论计算值。 b r u c k e r 1 6 等人分别建立了一维和三维的有限元模型，考虑了粉末与激光束的 相互作用、熔池的对流、温度场的自熔性以及熔覆形状，详细讨论了温度场的演 变，但未进行相应的实验验证。 p a l u m b o 【l7 】等人基于a b a q u s 软件建立了激光熔覆的单道环形三维热一结构 耦合有限元模型，利用用户子程序实现了熔覆层的生长。详细讨论了温度场的演 变过程，并以铜基合金粉末为熔覆材料利用实验校正了有限元模型的边界条件。 l o n g 墙】等人考虑到目前激光熔覆成形的有限元模拟中都是采用单层单道或单 4 变占空比中空激光光内送粉熔覆熔池温度场研究 第一章 层多道薄壁件模型，综合考虑了热辐射、对流、热传导以及相变潜热，基于a n s y s 的a p d l 语言及单元生死技术首次建立了多层多道的有限元模型，详细讨论了激 光直接成形过程中温度场的演变，最后以相同的工艺参数进行了实验，结果表明 两者吻合较好。但国外学者们对激光熔覆过程中温度场研究的光源主要是针对一 般激光光源即光斑为实心的，而针对占空比可变化的环形激光光源即中空光源的 激光熔覆温度场的研究成果也不多。 1 3 2 国内的研究状况 到目前为止，国内学者对激光熔覆光外同轴送粉成形过程中温度场的研究已 做了大量工作，从不同的角度建立了激光熔覆温度场的计算模型，为修复工艺参 数的选择和优化提供了理论依据。 黄延禄1 1 9 】等采用有限差分结合流体体积法( v o f ) 研究了激光快速成形过程熔 覆熔池流场温度场演化过程。石力开和席明哲【2 0 】等采用有限元结合单元生死技术 研究了激光快速成形过程温度场的演变和熔覆层的生长。 贾文鹏等【2 1 - 2 2 针对航空空心叶片激光快速成形过程，通过对成形过程的温度 场应力场演变模拟，揭示了空心叶片激光快速成形过程温度、形变及残余应力 的分布规律，为复杂精细空心叶片激光快速成形及工艺优化实践提供了理论支持。 很多国内外研究者主要针对同轴送粉“光外送粉”方式，从不同的角度建立 了激光熔覆温度场的计算模型，为修复工艺参数的选择和优化提供了理论依据。 但是也存在以下关键问题：一是温度场模拟的有限元模型过于简单，不能反映复 杂零件的热力演变行为，二是目前大多数研究同轴送粉都是采用“光外送粉”方 案，存在粉末利用率低，环境污染大等缺点。 苏州大学石世宏、傅戈雁等学者【2 7 - 2 9 提出采用激光光源为占空比可变化的环 形光，粉管居中，光内同轴送粉的新型激光熔覆成形工艺，实验结果表明，该工 艺方案具有粉流稳定集中，发散小，光粉耦合性好，粉末利用率高，可以减少能 耗，实现绿色制造等优点。但要利用光内同轴送粉激光制造技术成形出形貌质量 高且组织致密的薄壁成形件，需确定熔覆面上的粉末斑与激光斑的位置，在粉嘴 直径一定的条件下，中空激光占空比的变化直接影响激光斑的位置、大小和光粉 耦合过程中熔池温度场的分布规律等，其结果会影响成形件的质量。因此，对变 占空比中空激光光内送粉熔化成形过程中温度场进行数值模拟研究，可以掌握熔 覆过程中温度场、流场的动态分布和变化，分析影响熔覆成形质量的材料因素和 5 第一章变占空比中空激光光内送粉熔覆熔池温度场研究 工艺因素，对于选择合适的工艺参数，保证熔层质量具有重要的意义。因而针对 “光束中空，光内送粉 的方案且建立较为复杂几何形状的温度场有限元模型， 具有重要研究意义。 1 4 本文研究的意义和主要内容 激光熔覆技术是激光快速成形技术的基础，只有保证了熔覆层的质量，才有 可能制造出合格的金属零件。影响激光熔覆层质量的因素主要体现在激光功率、 光斑形状尺寸、扫描速度、熔覆层材料、送粉速度以及送粉方式等几个方面。不 同的激光器和不同的功率输出，都将造成激光光斑形状发生变化，光斑形状的不 同能使所获得的熔覆层形貌和力学性能存在较大的差别。 近年来，随着各类空心光束的相继出现，空心光束的产生和应用已经引起了 人们越来越多的关注。空心光束是一种在传播方向上中心光强或轴向光强为零的 光束，其特点是存在位相奇异点，光束中心强度为零的点具有相位不确定性。这 种环形光束除了具有激光频率、激光功率和光束发散角等激光束的一般参数外， 还具有暗斑尺寸、环形光束内外径之比( d 1 d 2 ，d 1 表示光圈内径，d 2 表示光圈外 径) 即占空比等一些特殊的参数。目前，对变占空比中空激光光内送粉熔覆熔池 温度场的研究国内外鲜见，对“光内送粉”激光熔覆过程中环形光束占空比的变 化对成形件质量的影响的研究较少。在其它工艺参数一定的情况下，粉气两相流 参数和环形光束的占空比变化决定了成形过程中熔池内的温度场的变化，直接影 响粉体的融化过程和凝固过程，从而影响成形件的壁厚和质量。 1 4 1 研究的意义 光内同轴送粉激光熔覆成形技术通过光学变换获得中空环形激光束，成形过 程中激光能量的分布会随内外半径比( 即占空比k ) 的变化而变化，占空比的变 化可控制熔池的形状和熔池流动分布，影响熔道的凝固、构型，通过占空比k 的 变化实现光斑能量在径向可控。而离焦量的变化会引起光斑改变也引起占空比的 变化，而光斑与粉斑的位置关系合理与否直接影响光粉耦合过程中能量的分布， 在强激光条件下，金属粉末与基体熔覆形成过程中熔池内的对流、传热和传质， 会引起温度场和熔池流场的变化进而直接影响材料凝固组织形态及固态相变组织 结构，从而最终决定组织形态以及各种缺陷分布，因此，熔覆成形过程的温度场 和熔池流场将直接影响着熔覆成形质量。 研究中空激光光内送粉温度场的分布将有助于控制熔深、稀释率以及裂纹的 6 变占空比中空激光光内送粉熔覆熔池温度场研究 第一章 形成，对研究熔覆成形的显微组织、热影响区域状态以及后续的冶金分析都有莫 大的作用。通过激光熔覆熔池温度场、流场的有限元模拟，可以掌握变占空比中 空激光光内送粉熔覆熔池温度场、流场的动态分布，为保证激光熔覆层质量且获 得形貌质量高、组织致密的薄壁成形件，提供相关优化的工艺参数。 1 4 2 研究的主要内容 本课题来源于国家自然科学基金“中空激光光内送粉快速制造光粉相互作用 机制与效应研究 ( 5 0 9 7 5 1 8 7 ) ；江苏省自然科学基金“激光熔覆快速成形光内送 粉技术研究 ( b k2 0 0 6 0 5 2 ) ；苏州市科技型企业技术创新资金专项项目“中空激 光光内送粉( 丝) 加工成形工艺及装备研究开发 ( s g 0 9 2 3 ) 。基于“光束中空， 粉管居中，光内送粉 的环形激光光内送粉装置，本文主要将在以下几个方面开 展研究。 ( 1 ) 基于激光熔覆光内同轴送粉成形机理，对“光内”与“光外同轴送粉 系统中的激光和粉末的几何耦合进行分析和比较，对占空比变化对能量密度分布 的影响进行理论研究，初步探讨激光光斑能量密度分布对成形质量的影响。对环 形中空激光熔池三维流场进行理论研究，比较实心光束和中空环形光束两种光束 模式下的激光熔覆层表面形貌。 ( 2 ) 运用a n s y s 有限元分析软件，建立环形中空激光快速成形温度场的瞬 态有限元模型，采用有限元单元生死技术模拟熔覆层的沉积生长过程。对4 5 钢试 样熔覆f e 3 1 3 合金的表面温度场瞬时变化进行模拟，探讨热流密度的数学模型和 环形中空激光能量在熔池表面的分布。 ( 3 ) 进行变占空比中空激光光内送粉熔覆熔池温度场研究，探讨占空比的变 化对熔池的形状、大小和能量密度分布的影响。进行单层和多层熔覆过程温度场 数值模拟，提取各个关键时刻、关键位置的温度场云图及曲线，在理论上对环形 激光束在工件上的温度场进行分析，探讨整个快速原型过程中温度场的变化和分 布，展示出中间过程及变化趋势，探寻较为理想的占空比范围，从而用来指导合 理的试验参数的选取。 ( 4 ) 设计了三种不同占空比的环形光进行光内送粉熔覆实验，拍摄下熔池图 像，分析其能量分布，对成形件的不同部位，包括熔覆层与基体结合处、熔覆区 的显微组织进行分析，并与数值模拟的结果对照比较，得出研究结论。 7 变占空比中空激光光内送粉熔覆熔池温度场研究 本文研究的技术路线如图1 2 所示。 查阅相关文献，提出本课 题研究的意义和主要内容 ii jl i 环形中空激光光内同轴送粉光粉 i几何耦合 环形中空激光能量分布 i 、 i 环形中空激光光斑内能量分布理 与熔池的理论研究 。l论研究 i 环形中空光内送粉激光熔池的理 i论研究 一 激光熔覆传热学基本理论 光内送粉激光熔覆熔池f 、 一光内送粉熔覆孽限元模型的建温度场数值模拟 1 一1 光内送粉熔覆层温度场的求解 h 光内送粉陕速成形温度场分布 中空激光熔覆熔池温度 一 一f 变占狲坤空警熔池温度场分 场计算结果分析 | 一- | 占空比变化对温度场分布的影响 一- 实验条件 中空激光光内送粉快速卜 一_ 实验设计 成形实验 7 一实验结果与数值模拟结果比较 图1 2 本文研究的技术路线 变占空比中空激光光内送粉堕堡揸垫望壅堑堡窒叁! 二兰 _ - 一 1 5本章小结 ( 1 ) 在参阅大量文献的基础上，本章重点阐述了l c r m 技术的研究进展和 现状，以及目前同轴“光外送粉 方式下激光熔覆温度场的计算模型中存在的问 题。 ( 2 ) 针