CN115662541A - 一种激光熔覆的熔覆层截面形貌计算方法 - Google Patents
一种激光熔覆的熔覆层截面形貌计算方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115662541A CN115662541A CN202211172894.3A CN202211172894A CN115662541A CN 115662541 A CN115662541 A CN 115662541A CN 202211172894 A CN202211172894 A CN 202211172894A CN 115662541 A CN115662541 A CN 115662541A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- laser
- cladding layer
- cladding
- powder
- cell
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
本发明公开了一种激光熔覆的熔覆层截面形貌计算方法，进行激光熔覆；对激光熔覆的加工区域进行离散化处理，每个离散单元作为一个元胞；构建表达不同形态基底上粉末束流浓度分布的粉末束流模型；以进行激光熔覆时存在的物理过程构建激光热源模型；根据粉末束流模型和激光热源模型得到每个元胞的状态，元胞状态包括相态和温度；基于元胞自动机根据熔覆层的温度传递规则和即时元胞状态计算下一时刻的元胞状态，实现元胞状态更新；采用液滴成形方法，计算熔覆层元胞分布，得到熔覆层的截面形貌。通过结合元胞自动机方法和液滴成形理论，建立更加完善的熔覆层截面轮廓计算模型，实现熔覆层截面形貌的准确计算。
Description
技术领域
本发明涉及激光熔覆，具体是涉及一种激光熔覆的熔覆层截面形貌计算方法。
背景技术
随着激光熔覆产品向大尺寸高精度方向发展，同轴送粉式激光熔覆制造精度亟待提高。目前同轴送粉式激光熔覆的熔覆层形貌研究仍有所欠缺，大部分形貌计算是关于铺粉式激光熔覆。但是由于温度场和熔池流场的复杂性，熔覆层轮廓通常被近似成球冠形状或简化成方块，导致熔覆层形貌的计算不准确。对激光熔覆技术几何精度的相关研究主要集中于熔覆层的宽度和高度的计算模拟，对熔覆层接触角和横截面积的研究也相对较少。
目前，对激光熔覆形貌的研究大多是在基底水平的前提下进行的，研究所得的结论很难直接应用于其它形态基底上进行激光熔覆。在实际的激光熔覆过程中，基底表面不完全水平的情况非常多，不同形态基底上熔覆层的轮廓对激光熔覆技术的制造精度控制存在影响。
发明内容
发明目的：针对以上缺点，本发明提供一种对激光熔覆的熔覆层截面形貌进行准确计算的计算方法。
技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种激光熔覆的熔覆层截面形貌计算方法，包括以下步骤：
(1)激光束及粉末束经送粉喷头喷射至基底表面形成熔覆层，进行激光熔覆；对激光熔覆的加工区域进行离散化处理，每个离散单元作为一个元胞；
(2)构建粉末束流模型，粉末束流模型表达不同形态基底上粉末束流浓度分布；
(3)以进行激光熔覆时存在的物理过程构建激光热源模型；
(4)根据粉末束流模型和激光热源模型得到每个元胞的状态，元胞状态包括相态和温度；
(5)基于元胞自动机根据熔覆层的温度传递规则和即时元胞状态计算下一时刻的元胞状态，实现元胞状态更新；
(6)采用液滴成形方法，根据液态元胞的铺展过程，计算熔覆层元胞分布，得到熔覆层的截面形貌。
进一步的，所述步骤(2)中，粉末束流模型采用修正高斯模型，所述修正高斯模型对粉末束流浓度Pcon分布的表达式为：
其中，pcon＝F/V是单位长度粉末束流喷射出的粉量(F是送粉速率，V是扫描速度)，z是粉末束流的中心线，h是激光头到基底上光斑中心点的距离，θ是粉末束流发散角的一半，x是倾斜基底表面上的轴线，
是基底的倾斜角。
进一步的，所述步骤(3)中，进行激光熔覆时存在的物理过程包括粉末材料对激光能量的遮挡作用；激光加载在粉末与基底表面的热输入；熔覆层与空气间的热对流和热辐射及熔覆层和基底之间的内部热传导。
进一步的，粉末材料对激光能量形成遮挡的情况下，激光作为热源对粉末进行热输入，激光热源随时间移动的功率密度q(t)s表达式为：
其中，P为激光功率，β为粉末对激光能量的衰减率，x和y分别表示元胞空间中当前元胞的位置，r为激光光斑半径，Vx为激光沿X轴方向运动速度，Vy为激光沿Y轴方向运动速度，t为激光运行时间，a为元胞尺寸。
进一步的，熔覆层与空气间进行热对流，对流换热的功率密度由牛顿冷却定律表示如下：
q(i,j,k)conv＝h(T(i,j,k)-Tf)
其中，q(i,j,k)conv为对流换热功率密度，h为对流换热系数；T(i,j,k)是位置为(i,j,k)处对流换热元胞温度；Tf为环境温度；
熔覆层与空气间进行热辐射，热辐射能量的功率密度可由斯蒂芬-玻尔兹曼定律表示；
q(i,j,k)rad＝σbε(T(i,j,k) 4-Tf 4)
其中，q(i,j,k)rad为热辐射率；σb为斯蒂芬-玻尔兹曼系数；ε为发射率；
熔覆层和基底之间进行内部热传导，热传导的功率密度可由傅里叶传热定律表示如下：
其中，q(i,j,k)cond为热传导率，K为导热系数；
为温度在方向
上的温度梯度；A为传热的接触面积。
进一步的，所述元胞相态包括液态元胞、固态元胞、气态元胞和边界元胞。
进一步的，所述步骤(5)中，熔覆层的温度传递规则包括激光加载在粉末与基底表面的热输入；固态元胞内部之间的热传导；液态元胞之间的热对流和热传导；基底及熔覆层表面的边界元胞与气态元胞之间的热对流与热对流。
进一步的，所述步骤(6)中，所述液滴成形方法描述了熔滴的固-液、固-气、液-气界面自由能和重力势能的总能E，表达式为：
其中，cosδ＝(γSV-γSL)/γLV，δ是接触角，γSV表示固-气表面自由能，γSL表示固-液表面自由能，γLV表示液-气表面自由能；ALV表示液-气界面的各个元胞的边界面积，ASV表示固-液界面的各个元胞的边界面积，ρ是液体的密度，g是重力加速度常量，vk是液态元胞的体积，zk是液态元胞的质心高度。当E最小时，得到熔覆层元胞的最终分布，根据熔覆层元胞分布，得到熔覆层的截面形貌。
有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点是通过结合元胞自动机方法和液滴成形理论，建立更加完善的熔覆层截面轮廓计算模型，实现熔覆层截面形貌的准确计算。建立的不同形态基底上熔覆层的轮廓计算模型，适用于不同材料在不同形态基底上熔覆层形貌的计算。
附图说明
图1是本发明截面形貌计算方法的流程示意图；
图2是本发明中粉末束流浓度分布示意图；
图3是本发明中元胞类型和液滴成形方法(DFM)示意图；
图4是本发明中元胞自动机模型示意图；
图5是本发明中计算结果和实验结果对比图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例中一种激光熔覆的熔覆层截面形貌计算方法，包括以下步骤：
(1)激光束及粉末束经送粉喷头喷射至基底表面形成熔覆层，进行激光熔覆；对激光熔覆的加工区域进行离散化处理，每个离散单元作为一个元胞；
(2)构建粉末束流模型，粉末束流模型表达不同形态基底上粉末束流浓度分布；粉末束流模型采用修正高斯模型表达不同形态基底上粉末束流浓度分布，并在不同基底的粉末利用率的基础上增加基底对粉末反弹作用；
修正高斯模型对粉末束流浓度分布的表达式为：
其中，
是单位长度粉末束流喷射出的粉量(F是送粉速率，本实施例中F为1.5r/min，V是扫描速，采用300mm/min)；z是中心线；h是激光头到基底上光斑中心点的距离，采用10mm；θ是粉末束流发散角的一半，采用3°；x是倾斜基底表面上的轴线；
是基底的倾斜角，本实施例设置为20度。
(3)以进行激光熔覆时存在的物理过程构建激光热源模型；物理过程包括：合金粉末材料对激光能量的遮挡作用；激光加载在合金粉末与基底表面的热输入；熔覆层和基底之间的内部热传导及其与空气间的热对流和热辐射。则作用于粉末的热源包括粉末遮挡后接收的激光能量、同样吸收了激光能量的基底提供的热传导、熔覆层与空气间的热对流和热辐射。
粉末材料对激光能量形成遮挡的情况下，激光作为热源对粉末进行热输入，通过设置激光热源的中心位置为(Vx·t，Vy·t)，激光束的光斑位置随时间不断发生变化。在元胞空间中，倾斜基底上能量呈高斯分布的激光热源随时间移动的功率密度表示为：
式中，P为激光功率，设置为2000W，β为粉末对激光能量的衰减率，x
和y分别表示元胞空间中当前元胞的位置，r为激光光斑半径，Vx为激光沿X轴方向运动速度，Vy为激光沿Y轴方向运动速度，t为激光运行时间，a为元胞尺寸。
对流换热的功率密度由牛顿冷却定律表示如下：
q(i,j,k)conv＝h(T(i,j,k)-Tf)
其中，q(i,j,k)conv为对流换热功率密度；h为对流换热系数；T(i,j,k)是位置为(i,j,k)处对流换热元胞温度；Tf为环境温度；a为元胞尺寸。
热辐射能量的功率密度可由斯蒂芬-玻尔兹曼定律表示：
q(i,j,k)rad＝σbε(T(i,j,k) 4-Tf 4)
其中q(i,j,k)rad为热辐射率；σb为斯蒂芬-玻尔兹曼系数，设定为5.67×10-8W/(m2·K4)；ε为发射率(黑度)，取决于材料与温度，该值介于0～1之间；a为元胞尺寸；T(i,j,k)是(i,j,k)位置处对流换热元胞温度；Tf为环境温度。
热传导的功率密度可由傅里叶传热定律表示如下：
其中K为导热系数；
为温度在方向
上的温度梯度；A为传热的接触面积。
(4)设定激光熔覆过程的材料相态转变规则：当金属材料的温度超过它的熔点时，就会发生熔化；反之，当金属材料的温度下降到相应的温度范围时，就会发生凝固，根据粉末束流模型和激光热源模型得到每个元胞的状态，每个元胞设定两种状态：相态S和温度状态T。S状态表示当前元胞为液态元胞、固态元胞、边界元胞或者气态元胞，T状态表示当前元胞的温度。
(5)基于元胞自动机根据熔覆层的温度传递规则和即时元胞状态计算下一时刻的元胞状态，实现元胞状态更新；熔覆层的温度传递规则：激光加载在合金粉末与基底表面的热输入；固体材料内部的热传导；熔池内熔融液体的热对流和热传导；基底及熔覆层表面与空气的对流传热与辐射传热。
(6)根据熔池的界面自由能和重力势能变化，采用液滴成形方法，根据液态元胞的铺展过程，计算熔覆层元胞分布，得到熔覆层的截面形貌。
液滴成形方法描述了熔滴的固-液(γSL)、固-气(γSV)、液-气(γLV)界面自由能和重力势能，利用Young方程：cosδ＝(γSV-γSL)/γLV，可将液滴成形方法表达为：
其中，ALV，ASV分别表示液-气，固-液界面的各个元胞的边界面积，ρ是液体的密度，g是重力加速度常量，vk,zk分别是液态元胞的体积和质心高度。E最小时，熔覆层的元胞分布即为熔覆层最终形貌。
如图5(a)所示，激光功率设置为2000W，采用的熔覆层材料为镍基合金。将材料密度设置为7528kg/m3，熔点设置为1163K，热导率设置为24W/(m*K)，比热容设置为640J/(kg*K)。计算结果与实验结果相对误差(％)如表1所示：
表1
其中，W是熔覆层宽度误差，H是熔覆层高度误差，P-S是熔覆层峰值偏移量误差，R-A是熔覆层相对横截面积误差。
如图5(b)所示，激光功率设置为2000W，F是送粉速率2.0r/min，V是扫描速度300mm/min，
是基底的倾斜角30°，采用的熔覆层材料为镍基合金。将材料密度设置为7528kg/m3，熔点设置为1163K，热导率设置为24W/(m*K)，比热容设置为640J/(kg*K)。计算结果与实验结果相对误差(％)如表2所示：
表2
如图5(c)所示，激光功率设置为2000W，F是送粉速率1.5r/min，V是扫描速度300mm/min，
是基底的倾斜角30°，采用的熔覆层材料为钴基合金。将材料密度设置为8450kg/m3，熔点设置为1523K，热导率设置为27W/(m*K)，比热容设置为618J/(kg*K)。计算结果与实验结果相对误差(％)如表3所示：
表3
由此可见，计算结果与实验结果的相对误差均小于10％，该形貌计算方法的计算误差较小，准确度较高。
Claims (9)
1.一种激光熔覆的熔覆层截面形貌计算方法，其特征在于，
包括以下步骤：
(1)激光束及粉末束经送粉喷头喷射至基底表面形成熔覆层，进行激光熔覆；对激光熔覆的加工区域进行离散化处理，每个离散单元作为一个元胞；
(2)构建粉末束流模型，粉末束流模型表达不同形态基底上粉末束流浓度分布；
(3)以进行激光熔覆时存在的物理过程构建激光热源模型；
(4)根据粉末束流模型和激光热源模型得到每个元胞的状态，元胞状态包括相态和温度；
(5)基于元胞自动机根据熔覆层的温度传递规则和即时元胞状态计算下一时刻的元胞状态，实现元胞状态更新；
(6)采用液滴成形方法，根据液态元胞的铺展过程，计算熔覆层元胞分布，得到熔覆层的截面形貌。
2.根据权利要求1所述的熔覆层截面形貌计算方法，其特征在于，所述步骤(2)中，粉末束流模型采用修正高斯模型，所述修正高斯模型对粉末束流浓度Pcon分布的表达式为：
其中，pcon＝F/V是单位长度粉末束流喷射出的粉量；F是送粉速率，V是扫描速度，z是粉末束流的中心线，h是激光头到基底上光斑中心点的距离，θ是粉末束流发散角的一半，x是倾斜基底表面上的轴线，
是基底的倾斜角。
3.根据权利要求1所述的熔覆层截面形貌计算方法，其特征在于，所述步骤(3)中，进行激光熔覆时存在的物理过程包括粉末材料对激光能量的遮挡作用；激光加载在粉末与基底表面的热输入；熔覆层与空气间的热对流和热辐射及熔覆层和基底之间的内部热传导。
4.根据权利要求3所述的熔覆层截面形貌计算方法，其特征在于，粉末材料对激光能量形成遮挡的情况下，激光作为热源对粉末进行热输入，激光热源随时间移动的功率密度q(t)s表达式为：
其中，P为激光功率，β为粉末对激光能量的衰减率，i和j分别表示元胞空间中当前元胞的位置，r为激光光斑半径，Vx为激光沿X轴方向运动速度，Vy为激光沿Y轴方向运动速度，t为激光运行时间，a为元胞尺寸。
5.根据权利要求3所述的熔覆层截面形貌计算方法，其特征在于，熔覆层与空气间进行热对流，对流换热的功率密度由牛顿冷却定律表示如下：
q(i,j,k)conv＝h(T(i,j,k)-Tf)
其中，q(i,j,k)conv为对流换热功率密度，h为对流换热系数；T(i,j,k)是位置为(i,j,k)处对流换热元胞温度；Tf为环境温度；
熔覆层与空气间进行热辐射，热辐射能量的功率密度可由斯蒂芬-玻尔兹曼定律表示；
q(i,j,k)rad＝σbε(T(i,j,k) 4-Tf 4)
其中，q(i,j,k)rad为热辐射率；σb为斯蒂芬-玻尔兹曼系数；ε为发射率；
熔覆层和基底之间进行内部热传导，热传导的功率密度可由傅里叶传热定律表示如下：
其中，q(i,j,k)cond为热传导率，K为导热系数；
为温度在方向
上的温度梯度；A为传热的接触面积。
6.根据权利要求1所述的熔覆层截面形貌计算方法，其特征在于，所述元胞相态包括液态元胞、固态元胞、气态元胞和边界元胞。
7.根据权利要求6所述的熔覆层截面形貌计算方法，其特征在于，所述步骤(5)中，熔覆层的温度传递规则包括激光加载在粉末与基底表面的热输入；固态元胞内部之间的热传导；液态元胞之间的热对流和热传导；基底及熔覆层表面的边界元胞与气态元胞之间的热对流与热对流。
8.根据权利要求1所述的熔覆层截面形貌计算方法，其特征在于，所述步骤(6)中，所述液滴成形方法描述了熔滴的固-液、固-气、液-气界面自由能和重力势能的总能E，表达式为：
其中，cosδ＝(γSV-γSL)/γLV，δ是接触角，γSV表示固-气表面自由能，γSL表示固-液表面自由能，γLV表示液-气表面自由能；ALV表示液-气界面的各个元胞的边界面积，ASV表示固-液界面的各个元胞的边界面积，ρ是液体的密度，g是重力加速度常量，vk是液态元胞的体积，zk是液态元胞的质心高度。
9.根据权利要求8所述的熔覆层截面形貌计算方法，其特征在于，当E最小时，得到熔覆层元胞的最终分布，根据熔覆层元胞分布，得到熔覆层的截面形貌。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211172894.3A CN115662541A (zh) | 2022-09-26 | 2022-09-26 | 一种激光熔覆的熔覆层截面形貌计算方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211172894.3A CN115662541A (zh) | 2022-09-26 | 2022-09-26 | 一种激光熔覆的熔覆层截面形貌计算方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115662541A true CN115662541A (zh) | 2023-01-31 |
Family
ID=84986391
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211172894.3A Pending CN115662541A (zh) | 2022-09-26 | 2022-09-26 | 一种激光熔覆的熔覆层截面形貌计算方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115662541A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117252000A (zh) * | 2023-09-15 | 2023-12-19 | 南昌航空大学 | 电子束倾斜焊接的热源模型构建方法及系统、仿真方法 |
-
2022
- 2022-09-26 CN CN202211172894.3A patent/CN115662541A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117252000A (zh) * | 2023-09-15 | 2023-12-19 | 南昌航空大学 | 电子束倾斜焊接的热源模型构建方法及系统、仿真方法 |
| CN117252000B (zh) * | 2023-09-15 | 2024-05-17 | 南昌航空大学 | 电子束倾斜焊接的热源模型构建方法及系统、仿真方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Haley et al. | Working distance passive stability in laser directed energy deposition additive manufacturing | |
| Tan et al. | Process mechanisms based on powder flow spatial distribution in direct metal deposition | |
| Wang et al. | Influences of deposition strategies and oblique angle on properties of AISI316L stainless steel oblique thin-walled part by direct laser fabrication | |
| Wang et al. | Overhang structure and accuracy in laser engineered net shaping of Fe-Cr steel | |
| CN108875264B (zh) | 一种用于飞秒激光烧蚀仿真的激光源模型的建立方法 | |
| CN115662541A (zh) | 一种激光熔覆的熔覆层截面形貌计算方法 | |
| Liu et al. | In-time motion adjustment in laser cladding manufacturing process for improving dimensional accuracy and surface finish of the formed part | |
| Liu et al. | An analytical model of the melt pool and single track in coaxial laser direct metal deposition (LDMD) additive manufacturing | |
| CN104903030A (zh) | 通过熔化粉末制造部件的方法,该粉末颗粒以冷却状态到达熔池 | |
| CN114346260B (zh) | 一种激光熔化沉积沉积层几何特征预测方法 | |
| Chai et al. | Numerical and experimental study on the profile of metal alloys formed on the inclined substrate by laser cladding | |
| Liu et al. | Effects of process variables on laser direct formation of thin wall | |
| Turichin et al. | Investigation and modeling of the process of formation of the pad weld and its microstructure during laser cladding by radiation of high power fiber laser | |
| Qin et al. | Review of the formation mechanisms and control methods of geometrical defects in laser deposition manufacturing | |
| Liu et al. | Mathematical modeling of transport phenomena in multi-track and multi-layer laser powder deposition of single-crystal superalloy | |
| Wang et al. | A fundamental investigation on three–dimensional laser material deposition of AISI316L stainless steel | |
| CN108907192A (zh) | 一种基于温度预测的激光熔覆薄壁件精确成形的控制方法 | |
| Xu et al. | Fabrication strategy and macroscopic defect control of large-size component based on double-wire arc additive manufacturing | |
| Abe et al. | Development of the shell structures fabrication CAM system for direct metal lamination using arc discharge-lamination height error compensation by torch feed speed control | |
| Li et al. | Overlapped wire-fed laser cladding on inclined surfaces: An analytical model considering gravity and a model application | |
| Nasiri et al. | A new design of continuous coaxial nozzle for direct metal deposition process to overcome the gravity effect | |
| Turichin et al. | Additive manufacturing of large parts | |
| Xi et al. | Multi-track, multi-layer cladding layers of YCF102: An analytical and predictive investigation of geometric characteristics | |
| CN204867409U (zh) | 一种高精度金属基复合材料的制备设备 | |
| CN111168067B (zh) | 一种基于激光定向能量沉积的孔隙预测与控制方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |