CN111112621A - 一种激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法，步骤一、建立计算流体力学模型，进行网格的划分，定义材料热物理属性，进行模型初始化；步骤二、建立控制方程，并依据方程模拟出熔池；步骤三、根据各个网格的体积分数变量和温度判断各交界面和熔池的实时形貌位置，计算出熔池的尺寸。本发明建立了一种基于激光定向能量沉积的热流传输模型，可用于实时的监控熔池尺寸的变化，解决了激光定向能量传输过程中熔池尺寸难以监控的问题，对于激光定向能量沉积的工程应用有很好的借鉴意义。

Description

一种激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法
技术领域
本发明属于激光增材制造和快速成形技术领域，涉及一种监控方法，尤其涉及一种激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法。
背景技术
伴随着科学技术的不断进步，增材制造技术也得到了飞速的发展。激光定向能量沉积技术是基于快速原型制造而发展起来的一种新型的增材制造技术，主要是利用一些特定的软件对零件的三维数据模型进行切片以及分层，然后通过能量比较高的激光束对同步送出的金属粉末进行逐道逐层的熔化，通过这种逐层的熔化凝固的过程制造出合适的三维实体零件。
激光定向能量沉积是伴随着多种能量变化的多物理场、多尺度的过程，当激光将同步送进的粉末进行熔化的过程中会形成熔池，而在熔池中由于表面张力梯度的影响会产生对流，从而驱动熔池中的液体流动，在熔池中就会发生热对流、热辐射、热传导和固液的相变以及气体与液体之间的冶金反应，这是一个复杂的动态物理过程。而这些复杂的物理过程与最后成形件的表面质量和孔隙缺陷等都息息相关，而通过实验却无法追踪到激光定向能量沉积过程中熔池内部复杂的变化过程，并且无法实时的输出熔池在各个时间步的尺寸变化，所以采用数值模拟的方法实时监控熔池尺寸的变化对于激光定向能量沉积研究有着重要的意义。
发明内容
本发明提供一种激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法，以克服现有技术的缺陷。
为实现上述目的，本发明提供一种激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法，步骤一、建立计算流体力学模型，进行网格的划分，定义材料热物理属性，进行模型初始化；步骤二、建立控制方程，并依据方程模拟出熔池；步骤三、根据各个网格的体积分数变量和温度判断各交界面和熔池的实时形貌位置，计算出熔池的尺寸。
其中，步骤二中，在计算流体力学的范围之内，任何一种物体的流动都必须遵守动量守恒、质量守恒以及能量守恒定律，所以控制方程的建立包括能量守恒方程、质量守恒方程和动量守恒方程的建立三个方面。此模型所用的热源设置为高斯热源，除此之外，还要速度和温度两个方面进行初始条件和边界条件的设定。
步骤三中，在激光定向能量沉积的数值模拟过程中，温度和速度的数值都是基于网格来给定的，网格划分可以把模型分成很多小的单元，网格化分的越细，计算的值就越精确，本步骤就是根据各个网格中的温度值来判断熔池所在的位置跟踪自由界面的动态形貌，并且实时计算出熔池的尺寸。
进一步，本发明提供一种激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤三中，熔池的尺寸包括熔池长度、熔池宽度、熔池高度、熔池深度、熔池顶部表面积、熔池体积和熔池横断面面积。
进一步，本发明提供一种激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤三中，熔池长度的监控方法为：确定金属相与气体相的交界面；遍历金属相与气体相交界面的所有网格，提取所有网格的温度值；在温度等于沉积材料固相线温度的网格中，即金属基板与熔池的交界面网格，提取各网格的X轴坐标值，最大X轴坐标值与最小X轴坐标值的差值即为熔池长度。
进一步，本发明提供一种激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤三中，熔池宽度的监控方法为：确定金属相与气体相的交界面；遍历金属相与气体相交界面的所有网格，提取所有网格的温度值；在温度等于沉积材料固相线温度的网格中，即在金属相与气体相交界面中的金属基板与熔池交界处的网格，提取各网格的Y轴坐标值，最大Y轴坐标值与最小Y轴坐标值的差值即为熔池宽度。
进一步，本发明提供一种激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤三中，熔池高度的监测方法为：确定金属相与气体相的交界面；遍历金属相与气体相交界面的所有网格，提取所有网格的Z轴坐标值，最小Z轴坐标值为金属基板高度，最大Z轴坐标值为熔池顶部高度；熔池顶部高度与金属基板高度的差值即为熔池高度。
进一步，本发明提供一种激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤三中，熔池深度的监测方法为：确定金属相；遍历金属相的所有网格，提取所有网格的温度值；在温度等于沉积材料固相线温度的网格中，即金属相中金属基板与熔池交界处的网格，提取各网格的Z轴坐标值，最小Z轴坐标值为熔池底部高度；金属基板高度与熔池底部高度的差值即为熔池深度。
进一步，本发明提供一种激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤三中，熔池顶部表面积的监测方法为：确定金属相与气体相的交界面；遍历金属相与气体相交界面的所有网格，提取所有网格的温度值；计算温度大于沉积材料固相线温度的网格数量，即金属相与气体相的交界面中熔池与气体相交界处的网格，记为熔池的顶部表面网格数；熔池的顶部表面网格数乘以网格的表面积(网格的表面积为网格在X轴×Y轴平面的面积)即为熔池顶部表面积。
进一步，本发明提供一种激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法，还可以具有这样的特征：其中，定义体积分数变量α，在每一时刻，若α＝1，则网格单元内部为金属域，若α＝0，则网格单元内部为气体域，若0＜α＜1，则网格单元内为气体与金属混合域；体积分数变量α根据控制方程计算得到；根据α值为0.5的条件追踪确定金属相与气体相的交界面；根据α值为1的条件追踪确定金属相。
进一步，本发明提供一种激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤三中，熔池体积的监测方法为：遍历作用域所有网格，计算温度大于沉积材料固相线温度的网格数量，记为熔池的网格数；熔池的网格数乘以网格的体积即为熔池体积。
进一步，本发明提供一种激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤三中，熔池横断面面积的监测方法为：遍历熔池横断面处的所有网格，计算温度大于沉积材料固相线温度的网格数量，记为该熔池横断面的网格数；熔池横断面的网格数乘以网格的横断面积(网格的横断面积为网格在Y轴×Z轴平面的面积)即为熔池横断面面积。
本发明的有益效果在于：本发明提供一种激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法，是一种基于激光定向能量沉积熔池的预测模拟模型，进一步监控模拟熔池形貌尺寸的方法，其中，在通过控制方程和输入参数在模型中模拟构建熔池为现有技术，非本申请的保护内容。
本发明建立了一种基于激光定向能量沉积的热流传输模型，可用于实时的监控熔池尺寸的变化，解决了激光定向能量传输过程中熔池尺寸难以监控的问题，对于激光定向能量沉积的工程应用有很好的借鉴意义。
附图说明
图1是熔池各尺寸的示意图；
图2是熔池长度、宽度、高度和深度随热源中心沿扫描方向的变化图；
图3是熔池顶部表面积和熔池体积随热源中心沿扫描方向的变化图；
图4是熔池在X＝5、7.5、10、15、20mm处的熔池横断面面积随热源中心沿扫描方向的变化图。
具体实施方式
以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。
本发明提供一种激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法：
步骤一、建立计算流体力学模型，进行网格的划分，定义材料热物理属性，进行模型初始化。
此模型的金属基板的尺寸为30mm×20mm×10mm,单道的沉积尺寸为25mm,在沉积区域网格尺寸为0.2mm×0.2mm×0.2mm。沉积的金属材料为IN718，其基本的参数如下表所示。
表一IN718的物性参数
Figure BDA0002377846490000061
激光定向能量沉积的输入工艺参数如下表所示。
表二激光定向能量沉积工艺参数
Figure BDA0002377846490000062
步骤二、建立控制方程，并依据方程模拟出熔池。
在计算流体力学的范围之内，任何一种物体的流动都必须遵守动量守恒、质量守恒以及能量守恒定律，所以控制方程的建立包括能量守恒方程、质量守恒方程和动量守恒方程的建立三个方面。
质量守恒方程：
Figure BDA0002377846490000071
动量守恒方程：
Figure BDA0002377846490000072
能量守恒方程：
Figure BDA0002377846490000073
相方程：
Figure BDA0002377846490000074
其中ρ为材料的密度，
Figure BDA0002377846490000075
为速度向量，t为时间,p为压力，μ为动力粘度，
Figure BDA0002377846490000076
为动量源项，
Figure BDA0002377846490000077
为马兰戈尼力，
Figure BDA0002377846490000078
为表面张力，
Figure BDA0002377846490000079
为浮力，
Figure BDA00023778464900000710
为糊状区域阻尼力，T为温度，Cp为比热容，k为热导率，ST为能量源项，Qh为表面热量，Ql为由于热对流、热辐射和蒸发而损失的能量。
此模型所用的热源为高斯热源：
Figure BDA00023778464900000711
其中f为分布因子，η为吸收率，P为激光功率，r激光半径，(xo，y0)为激光束中心坐标。
初始条件和边界条件的设定包括温度场和速度场两个方面。
为了对温度控制方程进行合理的求解，需根据传热过程中成形的特点来设置初始条件,此处设置的初始温度为298K，温度边界条件为：
T(x，y，z，0)＝T0(x，y，z) (6)
速度边界条件在各个边界均设置为0。
根据上述控制方程和输入参数等条件模拟出熔池。
步骤三、根据各个网格的体积和温度判断各交界面和熔池的实时形貌位置，计算出熔池的尺寸。
在激光定向能量沉积的数值模拟过程中，温度和速度的数值都是基于网格来给定的，网格划分可以把模型分成很多小的单元，网格化分的越细，计算的值就越精确，本发明就是根据各个网格中的温度值来判断熔池所在的位置，利用VOF(volume of fluid)方法跟踪自由界面的动态形貌。定义体积分数变量α，在每一时刻，若α＝1，则网格单元内部为金属域，若α＝0，则网格单元内部为气体域。若0＜α＜1，则网格单元内为气体与金属混合域，根据α值为0.5的条件追踪金属相与气体相的交界面，并实时计算出熔池的尺寸。
熔池的尺寸包括熔池长度、熔池宽度、熔池高度、熔池深度、熔池顶部表面积、熔池体积和熔池横断面面积。
如图1所示，熔池长度的监控：
1)根据α值为0.5的条件追踪确定金属相与气体相的交界面。即找出α＝0.5的所有网格，即为金属相与气体相的交界面。
2)遍历金属相与气体相交界面的所有网格，提取所有网格的温度值。
3)在温度等于沉积材料固相线温度的网格中，即金属基板与熔池的交界面网格，提取各网格的X轴坐标值，最大X轴坐标值记为X2，最小X轴坐标值记为X1，熔池长度PL为：
PL＝X2-X1
熔池宽度的监控：
1)根据α值为0.5的条件追踪确定金属相与气体相的交界面。即找出α＝0.5的所有网格，即为金属相与气体相的交界面。
2)遍历金属相与气体相交界面的所有网格，提取所有网格的温度值。
3)在温度等于沉积材料固相线温度的网格中，即在金属相与气体相交界面中的金属基板与熔池交界处的网格，提取各网格的Y轴坐标值，最大Y轴坐标值记为Y2，最小Y轴坐标值记为Y1，熔池宽度PW为：
PW＝Y2-Y1
熔池高度的监测：
1)根据α值为0.5的条件追踪确定金属相与气体相的交界面。即找出α＝0.5的所有网格，即为金属相与气体相的交界面。
2)遍历金属相与气体相交界面的所有网格，提取所有网格的Z轴坐标值，最小Z轴坐标值为金属基板高度，记为Z0，最大Z轴坐标值为熔池顶部高度，记为Z1，熔池高度PH为：
PH＝Z1-Z0
熔池深度的监测方法为：
1)根据α值为1的条件追踪确定金属相。找出α＝1的所有网格，即为金属相。
2)遍历金属相的所有网格，提取所有网格的温度值。
3)在温度等于沉积材料固相线温度的网格中，即金属相中金属基板与熔池交界处的网格，提取各网格的Z轴坐标值，最小Z轴坐标值为熔池底部高度，记为Z2，熔池深度PD为：
PD＝Z0-Z2
熔池长度、宽度、高度和深度随热源中心沿扫描方向的变化如图2所示。
熔池顶部表面积的监测：
1)根据α值为0.5的条件追踪确定金属相与气体相的交界面。即找出α＝0.5的所有网格，即为金属相与气体相的交界面。
2)遍历金属相与气体相交界面的所有网格，提取所有网格的温度值。
计算温度大于沉积材料固相线温度的网格数量，即金属相与气体相的交界面中熔池与气体相交界处的网格，记为熔池的顶部表面网格数N。
3)每个网格的表面积(网格的表面积为网格在X轴×Y轴平面的面积)为S，熔池顶部表面积PS为：
PS＝N×S
熔池体积的监测：
1)遍历作用域所有网格，计算温度大于沉积材料固相线温度的网格数量，记为熔池的网格数N1。
2)每个网格的体积为V，熔池体积PV为：
PV＝N1×V
熔池顶部表面积和熔池体积随热源中心沿扫描方向的变化如图3所示。
熔池横断面面积的监测：
1)取X等于5mm,7.5mm,10mm,15mm,20mm,五个横断面。
遍历熔池横断面处的所有网格，计算温度大于沉积材料固相线温度的网格数量，记为该熔池横断面的网格数N2。
2)网格的横断面积(网格的横断面积为网格在Y轴×Z轴平面的面积)为ST，熔池横断面面积PT为：
PT＝N2×S
熔池横断面面积随热源中心沿扫描方向的变化如图4所示。

Claims (10)

1.一种激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法，其特征在于：
步骤一、建立计算流体力学模型，进行网格的划分，定义材料热物理属性，进行模型初始化；
步骤二、建立控制方程，并依据方程模拟出熔池；
步骤三、根据各个网格的体积分数变量和温度判断各交界面和熔池的实时形貌位置，计算出熔池的尺寸。
2.根据权利要求1所述的激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法，其特征在于：
其中，步骤三中，熔池的尺寸包括熔池长度、熔池宽度、熔池高度、熔池深度、熔池顶部表面积、熔池体积和熔池横断面面积。
3.根据权利要求2所述的激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法，其特征在于：
其中，步骤三中，所述熔池长度的监控方法为：
确定金属相与气体相的交界面；
遍历金属相与气体相交界面的所有网格，提取所有网格的温度值；
在温度等于沉积材料固相线温度的网格中，提取其X轴坐标值，最大X轴坐标值与最小X轴坐标值的差值即为所述熔池长度。
4.根据权利要求2所述的激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法，其特征在于：
其中，步骤三中，所述熔池宽度的监控方法为：
确定金属相与气体相的交界面；
遍历金属相与气体相交界面的所有网格，提取所有网格的温度值；
在温度等于沉积材料固相线温度的网格中，提取其Y轴坐标值，最大Y轴坐标值与最小Y轴坐标值的差值即为所述熔池宽度。
5.根据权利要求2所述的激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法，其特征在于：
其中，步骤三中，所述熔池高度的监测方法为：
确定金属相与气体相的交界面；
遍历金属相与气体相交界面的所有网格，提取所有网格的Z轴坐标值，最小Z轴坐标值为金属基板高度，最大Z轴坐标值为熔池顶部高度；
熔池顶部高度与金属基板高度的差值即为所述熔池高度。
6.根据权利要求5所述的激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法，其特征在于：
其中，步骤三中，所述熔池深度的监测方法为：
确定金属相；
遍历金属相的所有网格，提取所有网格的温度值；
在温度等于沉积材料固相线温度的网格中，提取其Z轴坐标值，最小Z轴坐标值为熔池底部高度；
所述金属基板高度与熔池底部高度的差值即为所述熔池深度。
7.根据权利要求2所述的激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法，其特征在于：
其中，步骤三中，所述熔池顶部表面积的监测方法为：
确定金属相与气体相的交界面；
遍历金属相与气体相交界面的所有网格，提取所有网格的温度值；
计算温度大于沉积材料固相线温度的网格数量，记为熔池的顶部表面网格数；
熔池的顶部表面网格数乘以网格的表面积即为所述熔池顶部表面积。
8.根据权利要求3-7任意一项所述的激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法，其特征在于：
其中，定义体积分数变量α，在每一时刻，若α＝1，则网格单元内部为金属域，若α＝0，则网格单元内部为气体域，若0＜α＜1，则网格单元内为气体与金属混合域；
体积分数变量α根据控制方程计算得到；
根据α值为0.5的条件追踪确定金属相与气体相的交界面；
根据α值为1的条件追踪确定金属相。
9.根据权利要求2所述的激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法，其特征在于：
其中，步骤三中，所述熔池体积的监测方法为：
遍历作用域所有网格，计算温度大于沉积材料固相线温度的网格数量，记为熔池的网格数；
熔池的网格数乘以网格的体积即为所述熔池体积。
10.根据权利要求2所述的激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法，其特征在于：
其中，步骤三中，所述熔池横断面面积的监测方法为：
遍历熔池横断面处的所有网格，计算温度大于沉积材料固相线温度的网格数量，记为该熔池横断面的网格数；
熔池横断面的网格数乘以网格的横断面积即为所述熔池横断面面积。
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