CN116662713A - 一种基于熔池状态划分的选区激光熔化熔池尺寸预测方法 - Google Patents

一种基于熔池状态划分的选区激光熔化熔池尺寸预测方法 Download PDF

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CN116662713A CN202310539395.1A CN202310539395A CN116662713A CN 116662713 A CN116662713 A CN 116662713A CN 202310539395 A CN202310539395 A CN 202310539395A CN 116662713 A CN116662713 A CN 116662713A
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Abstract

本发明涉及一种基于熔池状态划分的选区激光熔化熔池尺寸预测方法，属于金属增材制造技术领域，其包括如下步骤：S1、定义熔池形貌和需要预测的关键尺寸；S2、设定划分熔池状态的工艺参数；S3、根据工艺参数确定熔池状态；S4、确定熔池尺寸预测公式；S5、根据熔池状态确定熔池形状比例并代入熔池尺寸预测公式，得到熔池尺寸的预测值。本发明考虑了工艺参数对熔池状态的影响，根据工艺参数进行熔池状态划分，基于划分的熔池状态预测熔池尺寸，计算时间短，操作简单，预测精度高，具有较强的实用性。

Description

一种基于熔池状态划分的选区激光熔化熔池尺寸预测方法
技术领域
本发明涉及金属增材制造技术领域，特别涉及一种基于熔池状态划分的选区激光熔化熔池尺寸预测方法。
背景技术
选区激光熔化(Selective laser melting，SLM)属于金属增材制造技术，已被广泛应用于航空航天、医疗、军事、汽车等领域的金属零件加工。然而，预测SLM成型件的实际几何形貌与尺寸非常困难，依旧是该技术推广与应用的一个瓶颈问题。影响SLM成型件实际几何形貌与尺寸的因素有很多，熔池尺寸是其中一个重要因素。有缺陷的熔池会导致SLM成型件不合格，甚至导致制造失败。因此，熔池尺寸是反映SLM工艺质量的关键指标。同时，SLM熔池尺寸预测是SLM工艺质量控制的重要步骤。
目前，常用的SLM熔池尺寸预测方法有试验法、数值仿真法和解析式方法。例如，中国发明专利公开号CN111112621A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，中国发明专利公开号CN113976920A提出了一种选区激光熔化成形结构残余变形的跨尺度控制方法及系统，发明专利申请CN115238605A公开了一种预测SLM单熔道表面质量的数值模拟方法。综合分析现有的SLM熔池尺寸预测方法，总结出各个方法的特点为：试验法需要耗费大量的材料和时间；数值仿真法能够节省材料，但仍需要耗费大量的计算时间；解析式方法不仅能够节省材料，还能极大地节省计算时间，是最有前景的SLM熔池尺寸预测方法。然而，现有的基于解析式方法的SLM熔池尺寸预测方法未考虑工艺参数对熔池状态的影响，预测精度低。
发明内容
为了解决现有的基于解析式方法的SLM熔池尺寸预测方法未考虑工艺参数对熔池状态的影响而预测精度低的问题，本发明的目的在于提供一种基于熔池状态划分的选区激光熔化熔池尺寸预测方法，该方法考虑了工艺参数对熔池状态的影响，根据工艺参数进行熔池状态划分，基于划分的熔池状态预测熔池尺寸，计算时间短，操作简单，预测精度高，具有较强的实用性。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于熔池状态划分的选区激光熔化熔池尺寸预测方法，包括如下步骤：
S1、定义熔池形貌和需要预测的关键尺寸；
S2、设定划分熔池状态的工艺参数；
S3、根据工艺参数确定熔池状态；
S4、确定熔池尺寸预测公式；
S5、根据熔池状态确定熔池形状比例并代入熔池尺寸预测公式，得到熔池尺寸的预测值。
优选地，在步骤S1中，定义的熔池形貌上需要预测的关键尺寸包括：熔池高度h，熔池深度d和熔池宽度w；
在步骤S2中，设定划分熔池状态的工艺参数包括：熔化程度参数λfusion，高熔状态临界系数μHM，中熔状态临界参数μMM，欠熔状态临界系数过熔状态临界系数/>
在步骤S3中，根据步骤S2设定的划分熔池状态的工艺参数将熔池状态划分为五类：欠熔状态、低熔状态、中熔状态、高熔状态、过熔状态；其中，低熔状态、中熔状态和高熔状态下的熔池形貌均为步骤S1定义的熔池形貌；
具体地，根据步骤S2设定的划分熔池状态的工艺参数划分熔池状态划分的方法为：
(1)当时，熔池状态划分为欠熔状态；
(2)当时，熔池状态划分为低熔状态；
(3)当μMM≤λfusion<μHM时，熔池状态划分为中熔状态；
(4)当时，熔池状态划分为高熔状态；
(5)当时，熔池状态划分为过熔状态；
在步骤S4中，由能量公式和步骤S1确定的熔池形貌，得到与熔池形状比例相关的熔池尺寸预测公式，包括：熔池深度d的计算公式，熔池宽度w的计算公式，熔池高度h的计算公式；
在步骤S5中，首先根据步骤S3划分的低熔状态、中熔状态和高熔状态，确定各个熔池状态对应的熔池形状比例，然后将各个熔池状态对应的熔池形状比例代入到步骤S4确定的熔池计算公式，获得熔池的尺寸预测结果。
优选地，在步骤S1中，定义的熔池形貌为上下两个半椭圆形组合成的组合图形，上半部分的半椭圆形开口朝下，下半部分的半椭圆形开口朝上，两个半椭圆形的开口处长度相等，两个半椭圆形在开口处组合。
优选地，熔池高度h为熔池上半部分的半椭圆形的高度，熔池深度d为下半部分的半椭圆形的高度，熔池宽度w为熔池上半部分的半椭圆形的开口处长度。
优选地，熔化程度参数λfusion由下式计算：
λfusion＝ΔH/Clackfusion，
式中，ΔH为比焓，Clackfusion为熔合临界比焓值，分别由下面两式计算：
式中，η为固态材料吸收效率，P为激光功率，π为圆周率，Hsl为单位体积熔化潜热，a为热扩散系数，v为扫描速率，D为激光光斑直径，Lt为层厚，C为材料比热容，Tm为材料熔点，To为材料初始温度；
高熔状态临界系数μHM由下式计算：
式中，xm为熔化度临界系数，Tb为材料沸腾温度；
中熔状态临界参数μMM由下式计算：
欠熔状态临界系数由下式计算：
式中，为材料欠熔缺陷状态的临界系数，/>的取值范围为/>
过熔状态临界系数由下式计算：
式中，为材料过熔缺陷状态的临界系数，/>的取值范围为/>
优选地，激光功率P为100～500W，扫描速率v为0.5～2.5m/s，激光光斑直径D为30～70μm，层厚Lt为50～65μm。
优选地，在步骤S4中，确定熔池尺寸预测公式的过程为：
考虑到熔池成型过程涉及的能量传递包括：粉末熔化形成熔池，熔池凝固，熔池表面与基体的传导传热，熔池表面与周围环境的对流及辐射传热；根据能量守恒定律得到如下的能量公式：
式中，t为时间，V(t)为熔池体积，ρ为材料密度，Ei(t)为熔池单位质量内能，A(t)为熔池横截面积，Es为凝固熔池的比能量，Qsc为熔池与固态基体表面传导传热，Qgc为熔池与周围气体环境的对流热交换，Qgr为熔池与周围环境的辐射热交换；
由能量公式和步骤S1确定的熔池形貌，得到熔池的尺寸计算公式如下：
(1)熔池深度d的计算公式为：
(2)熔池宽度w的计算公式为：
w＝βw/dd；
(3)熔池高度h的计算公式为：
h＝βh/dd；
式中，βh/d为熔池的高度深度比，βw/d为熔池的宽度深度比，βh/d和βw/d取决于熔池状态，具体在步骤S5中确定；熔池与固态基体表面传导传热Qsc，熔池与周围气体环境的对流热交换Qgc，熔池与周围环境的辐射热交换Qgc，凝固熔池的比能量Es分别由下面四个式子确定：
Qsc＝ξsαs(λTm-To)，
Qgc＝ξgαg(λTm-To)，
Qgr＝ξgεσ(λ4Tm 4-To)，
Es＝ρsvcs(Tm-To)，
式中，ξs＝25/3βw/h 1/3βl/w 2/3(1+βh/d)-1，βw/h为熔池的宽度高度比，βl/w为熔池的长度宽度比，αs为固态界面等效对流系数，ξg＝25/3βw/d 1/3(βl/wβh/d)2/3(1+βh/d)-2，αg为气态界面等效对流系数，ε为辐射系数，σ为玻尔兹曼常数，ρs为材料固态密度，cs为材料固态比热容。
优选地，在步骤S5中，首先，根据步骤S3划分的低熔状态、中熔状态和高熔状态，确定熔池形状比例，具体包括：
(1)当熔池状态划分为低熔状态时，熔池形状比例为：
式中，为低熔状态对应的宽度深度比，/>为低熔状态对应的高度深度比，k为材料热传导率，ρp为材料粉态密度，φ＝πρCv(Tm-To)，/> Lw/d(τ,ζ)＝π，Lh/d(τ,ζ)＝8；
(2)当熔池状态划分为中熔状态时，熔池形状比例为：
式中，
(3)当熔池状态划分为高熔状态时，熔池形状比例为：
式中，
然后将各个熔池状态对应的熔池形状比例代入到步骤S4确定的熔池计算公式，获得熔池的尺寸预测结果。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：该方法考虑了工艺参数对熔池状态的影响，根据工艺参数进行熔池状态划分，基于划分的熔池状态预测熔池尺寸，计算时间短，操作简单，预测精度高，具有较强的实用性；该方法解决了现有的基于解析式法的SLM熔池尺寸预测方法未考虑工艺参数对熔池状态的影响，预测精度低的问题。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于熔池状态划分的选区激光融化熔池尺寸预测方法的流程示意图。
图2为本发明提供的一种基于熔池状态划分的选区激光融化熔池尺寸预测方法在步骤S1中定义的熔池形貌的示意图。
图3为本发明提供的一种基于熔池状态划分的选区激光融化熔池尺寸预测方法在步骤S1中定义的熔池形貌的关键尺寸示意图。
图4为本发明提供的一种基于熔池状态划分的选区激光融化熔池尺寸预测方法在步骤S3中根据工艺参数确定熔池状态的示意图。
图5为本发明实施例一的熔池预测结果与试验结果的对比图。
图6为本发明实施例二的熔池预测结果与试验结果的对比图。
具体实施方式
为了让本发明的上述特征和优点更明显易懂，下面特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。
如图1所示，本发明提供一种基于熔池状态划分的选区激光熔化熔池尺寸预测方法，包括如下步骤：
S1、定义熔池形貌和需要预测的关键尺寸；
S2、设定划分熔池状态的工艺参数；
S3、根据工艺参数确定熔池状态；
S4、确定熔池尺寸预测公式；
S5、根据熔池状态确定熔池形状比例并代入熔池尺寸预测公式，得到熔池尺寸的预测值。
进一步地，在步骤S1中，定义的熔池形貌上需要预测的关键尺寸包括：熔池高度h，熔池深度d和熔池宽度w；
在步骤S2中，如图4所示，设定划分熔池状态的工艺参数包括：熔化程度参数λfusion，高熔状态临界系数μHM，中熔状态临界参数μMM，欠熔状态临界系数过熔状态临界系数/>
在步骤S3中，如图4所示，根据步骤S2设定的划分熔池状态的工艺参数将熔池状态划分为五类：欠熔状态、低熔状态、中熔状态、高熔状态、过熔状态；其中，低熔状态、中熔状态和高熔状态下的熔池形貌均为步骤S1定义的熔池形貌；
具体地，根据步骤S2设定的划分熔池状态的工艺参数划分熔池状态划分的方法为：
(1)当时，熔池状态划分为欠熔状态；
(2)当时，熔池状态划分为低熔状态；
(3)当μMM≤λfusion<μHM时，熔池状态划分为中熔状态；
(4)当时，熔池状态划分为高熔状态；
(5)当时，熔池状态划分为过熔状态；
欠熔状态代表激光功率不足使得熔池过小，没有稳定的形状和尺寸，过熔状态代表激光功率过大使得熔池过大，没有稳定的形状和尺寸，因此，在欠熔状态和过熔状态，熔池的形状和尺寸不稳定且不规则，无法预测，需要在实际打印过程中避免；
低熔状态、中熔状态和高熔状态下的熔池的形貌均为步骤S1确定的熔池形貌，形貌规则，尺寸可以预测，是实际的合格打印过程中出现的三种状态，三者的不同在于尺寸的比值不同，即宽度深度比和高度深度比不同；
在步骤S4中，由能量公式和步骤S1确定的熔池形貌，得到与熔池形状比例相关的熔池尺寸预测公式，包括：熔池深度d的计算公式，熔池宽度w的计算公式，熔池高度h的计算公式；
在步骤S5中，首先根据步骤S3划分的低熔状态、中熔状态和高熔状态，确定各个熔池状态对应的熔池形状比例，然后将各个熔池状态对应的熔池形状比例代入到步骤S4确定的熔池计算公式，获得熔池的尺寸预测结果。
如图2所示，在步骤S1中，定义的熔池形貌为上下两个半椭圆形组合成的组合图形，上半部分的半椭圆形1开口朝下，下半部分的半椭圆形2开口朝上，两个半椭圆形的开口处长度相等，两个半椭圆形在开口处组合。如图3所示，熔池高度h为熔池上半部分的半椭圆形1的高度，熔池深度d为下半部分的半椭圆形2的高度，熔池宽度w为熔池上半部分的半椭圆形1的开口处长度。
进一步地，熔化程度参数λfusion由下式计算：
λfusion＝ΔH/Clackfusion，
式中，ΔH为比焓，Clackfusion为熔合临界比焓值，分别由下面两式计算：
式中，η为固态材料吸收效率，P为激光功率，π为圆周率，Hsl为单位体积熔化潜热，a为热扩散系数，v为扫描速率，D为激光光斑直径，Lt为层厚，C为材料比热容，Tm为材料熔点，To为材料初始温度；
高熔状态临界系数μHM由下式计算：
式中，xm为熔化度临界系数，Tb为材料沸腾温度；
中熔状态临界参数μMM由下式计算：
欠熔状态临界系数由下式计算：
式中，为材料欠熔缺陷状态的临界系数，/>的取值范围为/>
过熔状态临界系数由下式计算：
式中，为材料过熔缺陷状态的临界系数，/>的取值范围为/>
上面各个物理量中，固态材料吸收效率η、单位体积熔化潜热Hsl、热扩散系数a、材料比热容C、材料熔点Tm、熔化度临界系数xm、材料沸腾温度Tb、材料欠熔缺陷状态的临界系数材料过熔缺陷状态的临界系数/>为材料特性参数，由材料种类决定，可由现有的材料特性参数试验测定方法测定。
上面各个物理量中，激光功率P、扫描速率v、激光光斑直径D、层厚Lt为工艺参数，需要人为设定，优选的取值范围为：激光功率P：100～500W，扫描速率v：0.5～2.5m/s，激光光斑直径D：30～70μm，层厚Lt：50～65μm。
进一步地，在步骤S4中，确定熔池尺寸预测公式的过程为：
考虑到熔池成型过程涉及的能量传递包括：粉末熔化形成熔池，熔池凝固，熔池表面与基体的传导传热，熔池表面与周围环境的对流及辐射传热；根据能量守恒定律得到如下的能量公式：
式中，t为时间，V(t)为熔池体积，ρ为材料密度，Ei(t)为熔池单位质量内能，A(t)为熔池横截面积，Es为凝固熔池的比能量，Qsc为熔池与固态基体表面传导传热，Qgc为熔池与周围气体环境的对流热交换，Qgr为熔池与周围环境的辐射热交换；
由能量公式和步骤S1确定的熔池形貌，得到熔池的尺寸计算公式如下：
(1)熔池深度d的计算公式为：
(2)熔池宽度w的计算公式为：
w＝βw/dd；
(3)熔池高度h的计算公式为：
h＝βh/dd；
式中，βh/d为熔池的高度深度比，βw/d为熔池的宽度深度比，βh/d和βw/d取决于熔池状态，具体在步骤S5中确定；熔池与固态基体表面传导传热Qsc，熔池与周围气体环境的对流热交换Qgc，熔池与周围环境的辐射热交换Qgc，凝固熔池的比能量Es分别由下面四个式子确定：
Qsc＝ξsαs(λTm-To)，
Qgc＝ξgαg(λTm-To)，
Qgr＝ξgεσ(λ4Tm 4-To)，
Es＝ρsvcs(Tm-To)，
式中，ξs＝25/3βw/h 1/3βl/w 2/3(1+βh/d)-1，βw/h为熔池的宽度高度比，βl/w为熔池的长度宽度比，αs为固态界面等效对流系数，ξg＝25/3βw/d 1/3(βl/wβh/d)2/3(1+βh/d)-2，αg为气态界面等效对流系数，ε为辐射系数，σ为玻尔兹曼常数，ρs为材料固态密度，cs为材料固态比热容。
进一步地，在步骤S5中，首先，根据步骤S3划分的低熔状态、中熔状态和高熔状态，确定熔池形状比例，具体包括：
(1)当熔池状态划分为低熔状态时，熔池形状比例为：
式中，为低熔状态对应的宽度深度比，/>为低熔状态对应的高度深度比，k为材料热传导率，ρp为材料粉态密度，φ＝πρCv(Tm-To)，/> Lw/d(τ,ζ)＝π，Lh/d(τ,ζ)＝8；
(2)当熔池状态划分为中熔状态时，熔池形状比例为：
式中，
(3)当熔池状态划分为高熔状态时，熔池形状比例为：
式中，
而当熔池状态划分为欠熔状态或过熔状态时，由于熔池形貌不规则，尺寸无法预测，在实际打印过程中要避免这种状态，因此在该状态下没有必要也无法确定熔池形状比例；
然后将各个熔池状态对应的熔池形状比例代入到步骤S4确定的熔池计算公式，获得熔池的尺寸预测结果。
为了验证本发明提出的方法的有效性和准确性，分别对实际的材料进行两组试验验证，分别记为试验例一和试验例二，结果如下。
试验例一：
选用的材料为牌号为316L的不锈钢粉末进行选区激光融化增材制造，材料的材料特性参数为：固态材料吸收效率η＝62％、单位体积熔化潜热Hsl＝2.7×105J/kg、热扩散系数a＝6.37×10-6m2/s、材料比热容C＝725J/(kg·K)、材料熔点Tm＝1700K、熔化度临界系数xm＝2、材料沸腾温度Tb＝3273K、材料欠熔缺陷状态的临界系数材料过熔缺陷状态的临界系数/>固态界面等效对流系数αs＝300W·(m2·K)、气态界面等效对流系数αg＝100W·(m2·K)、辐射系数ε＝0.35、玻尔兹曼常数σ＝5.67×10-8W/(m2·K4)、材料固态密度ρs＝7800kg/m3，材料固态比热容cs＝725J/(kg·K)、材料热传导率k＝36W/mK、材料粉态密度ρp＝4680kg/m3；
在选区激光融化增材制造中，选用的工艺参数为：激光功率P＝300W、扫描速率v＝1.5m/s，激光光斑直径D＝54μm，层厚Lt＝30μm；
将试验例一中的上述材料特性参数和工艺参数设定代入本发明提出的方法中，先进行熔池状态划分，计算得到μMM＝1.3，μHM＝5.7，λfusion＝4.3，因此满足μMM≤λfusion<μHM，熔池状态划分为中熔状态，基于划分的状态计算得到熔池尺寸比例并代入熔池尺寸计算公式中，参见图5，得到的预测结果为：高度h＝39μm，宽度w＝90μm，深度d＝86μm；同时，按照设定的工艺参数对牌号为316L的不锈钢粉末进行实际的选区激光融化试验，参见图5，获得的试验结果为：高度h＝35μm，宽度w＝85μm，深度d＝92μm；因此，利用本方法获得的试验例一的熔池尺寸预测值与试验结果的最大误差为6μm。
试验例二：
选用的材料为牌号为316L的不锈钢粉末进行选区激光融化增材制造，材料的材料特性参数为：固态材料吸收效率η＝62％、单位体积熔化潜热Hsl＝2.7×105J/kg、热扩散系数a＝6.37×10-6m2/s、材料比热容C＝725J/(kg·K)、材料熔点Tm＝1700K、熔化度临界系数xm＝2、材料沸腾温度Tb＝3273K、材料欠熔缺陷状态的临界系数材料过熔缺陷状态的临界系数/>固态界面等效对流系数αs＝300W·(m2·K)、气态界面等效对流系数αg＝100W·(m2·K)、辐射系数ε＝0.35、玻尔兹曼常数σ＝5.67×10-8W/(m2·K4)、材料固态密度ρs＝7800kg/m3，材料固态比热容cs＝725J/(kg·K)、材料热传导率k＝36W/mK、材料粉态密度ρp＝4680kg/m3；
在选区激光融化增材制造中，选用的工艺参数为：激光功率P＝300W、扫描速率v＝1.8m/s，激光光斑直径D＝54μm，层厚Lt＝30μm；
将试验例二中的上述材料特性参数和工艺参数设定代入本发明提出的方法中，先进行熔池状态划分，计算得到μMM＝1.3，μHM＝5.7，λfusion＝3.6，因此满足μMM≤λfusion<μHM，熔池状态划分为中熔状态，基于划分的状态计算得到熔池尺寸比例并代入熔池尺寸计算公式中，参见图6，得到的预测结果为：高度h＝49μm，宽度w＝102μm，深度d＝67μm；同时，按照设定的工艺参数对牌号为316L的不锈钢粉末进行实际的选区激光融化试验，参见图6，获得的试验结果为：高度h＝47μm，宽度w＝97μm，深度d＝65μm；因此，利用本方法获得的试验例二中熔池尺寸预测值与试验结果的最大误差为5μm。
综合试验例一和试验例二可知，利用本方法获得的熔池尺寸预测值与试验结果的最大误差为5μm，验证了本发明提出方法的有效性和准确性。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，任何熟悉本领域的技术人员但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做任何简单的修改、均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种基于熔池状态划分的选区激光熔化熔池尺寸预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、定义熔池形貌和需要预测的关键尺寸；
S2、设定划分熔池状态的工艺参数；
S3、根据工艺参数确定熔池状态；
S4、确定熔池尺寸预测公式；
S5、根据熔池状态确定熔池形状比例并代入熔池尺寸预测公式，得到熔池尺寸的预测值。
2.根据权利要求1所述的一种基于熔池状态划分的选区激光熔化熔池尺寸预测方法，其特征在于，在步骤S1中，定义的熔池形貌上需要预测的关键尺寸包括：熔池高度h，熔池深度d和熔池宽度w；
在步骤S2中，设定划分熔池状态的工艺参数包括：熔化程度参数λfusion，高熔状态临界系数μHM，中熔状态临界参数μMM，欠熔状态临界系数过熔状态临界系数/>
在步骤S3中，根据步骤S2设定的划分熔池状态的工艺参数将熔池状态划分为五类：欠熔状态、低熔状态、中熔状态、高熔状态、过熔状态；其中，低熔状态、中熔状态和高熔状态下的熔池形貌均为步骤S1定义的熔池形貌；
具体地，根据步骤S2设定的划分熔池状态的工艺参数划分熔池状态划分的方法为：
(1)当时，熔池状态划分为欠熔状态；
(2)当时，熔池状态划分为低熔状态；
(3)当μMM≤λfusion<μHM时，熔池状态划分为中熔状态；
(4)当时，熔池状态划分为高熔状态；
(5)当时，熔池状态划分为过熔状态；
在步骤S4中，由能量公式和步骤S1确定的熔池形貌，得到与熔池形状比例相关的熔池尺寸预测公式，包括：熔池深度d的计算公式，熔池宽度w的计算公式，熔池高度h的计算公式；
在步骤S5中，首先根据步骤S3划分的低熔状态、中熔状态和高熔状态，确定各个熔池状态对应的熔池形状比例，然后将各个熔池状态对应的熔池形状比例代入到步骤S4确定的熔池计算公式，获得熔池的尺寸预测结果。
3.根据权利要求2所述的一种基于熔池状态划分的选区激光熔化熔池尺寸预测方法，其特征在于，在步骤S1中，定义的熔池形貌为上下两个半椭圆形组合成的组合图形，上半部分的半椭圆形开口朝下，下半部分的半椭圆形开口朝上，两个半椭圆形的开口处长度相等，两个半椭圆形在开口处组合。
4.根据权利要求3所述的一种基于熔池状态划分的选区激光熔化熔池尺寸预测方法，其特征在于，熔池高度h为熔池上半部分的半椭圆形的高度，熔池深度d为下半部分的半椭圆形的高度，熔池宽度w为熔池上半部分的半椭圆形的开口处长度。
5.根据权利要求2所述的一种基于熔池状态划分的选区激光熔化熔池尺寸预测方法，其特征在于，
熔化程度参数λfusion由下式计算：
λfusion＝ΔH/Clackfusion，
式中，ΔH为比焓，Clackfusion为熔合临界比焓值，分别由下面两式计算：
式中，η为固态材料吸收效率，P为激光功率，π为圆周率，Hsl为单位体积熔化潜热，a为热扩散系数，v为扫描速率，D为激光光斑直径，Lt为层厚，C为材料比热容，Tm为材料熔点，To为材料初始温度；
高熔状态临界系数μHM由下式计算：
式中，xm为熔化度临界系数，Tb为材料沸腾温度；
中熔状态临界参数μMM由下式计算：
欠熔状态临界系数由下式计算：
式中，为材料欠熔缺陷状态的临界系数，/>的取值范围为/>
过熔状态临界系数由下式计算：
式中，为材料过熔缺陷状态的临界系数，/>的取值范围为/>
6.根据权利要求5所述的一种基于熔池状态划分的选区激光熔化熔池尺寸预测方法，其特征在于，激光功率P为100～500W，扫描速率v为0.5～2.5m/s，激光光斑直径D为30～70μm，层厚Lt为50～65μm。
7.根据权利要求2所述的一种基于熔池状态划分的选区激光熔化熔池尺寸预测方法，其特征在于，在步骤S4中，确定熔池尺寸预测公式的过程为：
考虑到熔池成型过程涉及的能量传递包括：粉末熔化形成熔池，熔池凝固，熔池表面与基体的传导传热，熔池表面与周围环境的对流及辐射传热；根据能量守恒定律得到如下的能量公式：
式中，t为时间，V(t)为熔池体积，ρ为材料密度，Ei(t)为熔池单位质量内能，A(t)为熔池横截面积，Es为凝固熔池的比能量，Qsc为熔池与固态基体表面传导传热，Qgc为熔池与周围气体环境的对流热交换，Qgr为熔池与周围环境的辐射热交换；
由能量公式和步骤S1确定的熔池形貌，得到熔池的尺寸计算公式如下：
(1)熔池深度d的计算公式为：
(2)熔池宽度w的计算公式为：
w＝βw/dd；
(3)熔池高度h的计算公式为：
h＝βh/dd；
式中，βh/d为熔池的高度深度比，βw/d为熔池的宽度深度比，βh/d和βw/d取决于熔池状态，具体在步骤S5中确定；熔池与固态基体表面传导传热Qsc，熔池与周围气体环境的对流热交换Qgc，熔池与周围环境的辐射热交换Qgc，凝固熔池的比能量Es分别由下面四个式子确定：
Qsc＝ξsαs(λTm-To)，
Qgc＝ξgαg(λTm-To)，
Qgr＝ξgεσ(λ4Tm 4-To)，
Es＝ρsvcs(Tm-To)，
式中，ξs＝25/3βw/h 1/3βl/w 2/3(1+βh/d)-1，βw/h为熔池的宽度高度比，βl/w为熔池的长度宽度比，αs为固态界面等效对流系数，ξg＝25/3βw/d 1/3(βl/wβh/d)2/3(1+βh/d)-2，αg为气态界面等效对流系数，ε为辐射系数，σ为玻尔兹曼常数，ρs为材料固态密度，cs为材料固态比热容。
8.根据权利要求7所述的一种基于熔池状态划分的选区激光熔化熔池尺寸预测方法，其特征在于，在步骤S5中，首先，根据步骤S3划分的低熔状态、中熔状态和高熔状态，确定熔池形状比例，具体包括：
(1)当熔池状态划分为低熔状态时，熔池形状比例为：
式中，为低熔状态对应的宽度深度比，/>为低熔状态对应的高度深度比，k为材料热传导率，ρp为材料粉态密度，φ＝πρCv(Tm-To)，/> Lw/d(τ,ζ)＝π，Lh/d(τ,ζ)＝8；
(2)当熔池状态划分为中熔状态时，熔池形状比例为：
式中，
(3)当熔池状态划分为高熔状态时，熔池形状比例为：
式中，
然后将各个熔池状态对应的熔池形状比例代入到步骤S4确定的熔池计算公式，获得熔池的尺寸预测结果。
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