激光快速成形金属零件的残余应力讲解

激光快速成形金属部件的节余应力

【纲要】：激光快速成形技术是近几年国际上宽泛关注的一种先进的实体自由

成形技术，能够直接成形高性能的致密金属部件，拥有无模具、短周期、低本钱、市场响应快等特色。本文简要剖析了激光快速成形件节余应力的形成机理

及散布规律，概括了节余应力对成形件力学性能、构造尺寸、实质使用等方面

的影响，商讨了实验测定节余应力的方法及调整和除去节余应力的有效手段

等。前言激光快速成形技术是一种鉴于激光熔覆的迭层制造技术，它将

【纲要】：激光快速成形技术是近几年国际上宽泛关注的一种先进的实体自由成形技术，能够直接成形高性能的致密金属部件，拥有无模具、短周期、低本钱、市场响应快等特色。本文简要剖析了激光快速成形件节余应力的形成机理及散布规律，概括了节余应力对成形件力学性能、构造尺寸、实质使用等方面的影响，商讨了实验测定节余应力的方法及调整和除去节余应力的有效手段等。

前言

激光快速成形技术是一种鉴于激光熔覆的迭层制造技术，它将快速原型技术〔 RP〕自由成形的长处与激光熔覆技术相联合，能够实现高性能复杂构造、致密金属部件的直接成形，拥有高柔性、短周期、低本钱、市场响应快等特色，是一种将资料技术与制造技术有机融为一体的“新资料设计、新资料制备与近净成形高性能复杂部件快速成形一体化〞新技术。激光快速成形以高能激光束作为挪动热源，一方面，激光快速加热冷却为资料加工供给了惯例手段没法实现的极端非均衡条件，使成形件拥有渺小、致密的组织和优秀的综合性能；但另一方面，局部热输入造成的不平均温度场必定惹起局部热效应，表此刻熔池在凝结及随后冷却过程不一致，从而在成形件中形成节余应力和变形。节余应力作为一种内应力，不单对成形件的静载强度、疲惫强度和抗应力腐化性能等有不利影响，并且也影响构造尺寸稳固性和成形精度，严重时会直接引起裂纹缺点。成形件一旦出现裂纹，成形过程将被迫停止，同时已成形的金属部件只好报废办理，这将大大增添制造本钱。所以，要充足发挥激光快速成形技术的优胜性，提升成形部件综合质量，研究激光快速成形过程节余应力的形成机理和散布特征拥有重要的现实意义。对于激光快速成形过程中节余应力的研究外国已开始有报导，而目前国内还没有见有这方面的研究报导。本文初步剖析了激光快速成形过程的节余应力问题，为精准描绘和控制激光快速成形过程中节余应力散布供给根基。

节余应力的形成机理与散布特征

激光快速成形属于资料热加工过程，它以高能激光束作为挪动热源，局部热输入产生的局部热效应将致使必定节余应力和变形。这主假如是激光束与资料互相作用形成的熔池经历快速加热、融化和快速冷却、凝结变化，必定产生不平均热应力和相变应力，结果惹起不平均塑性变形而形成节余应力。详细

是激光快速成形过程能量特别集中，熔池及其邻近部位以远高于四周地区的速

度被急剧加热，并局部融化。这局部资料因受热而膨胀，而热膨胀遇到四周较

冷地区的拘束，产生 ( 弹性 ) 热应力。同时，因为受热地区温度高升后折服极限

降落，局部地区的热应力值会超出其折服极限，所以，熔池局部会形成塑性的

热压缩，冷却后就比四周地区相对缩短、变窄或减小，同时因为熔覆层凝结冷

却时遇到基材冷却缩短的拘束，从而在熔覆层中形成节余应力。所以，激光快

速成形过程产生节余应力的原由主要归纳于以下双方面 :

1.因为局部热输入造成温度散布不平均，使得熔池及四周资料产生热应力，在冷却和凝结时互相限制而惹起局部热塑性变形，从而产生热节余应力;

2.因为熔凝区存在温度梯度且冷却速率不一致，熔池资料在凝结时因相

变体积变化不均及相变的不等时性产生的相变应力，从而惹起不平均塑性变形

而形成相变节余应力〔组织应力〕。成形件最后的节余应力常常是上述两种原

由的综合结果。激光快速成形过程是一个特别复杂的物理冶金过程，节余应力

的形成受诸多要素的影响相同特别复杂，应力大小和散布与熔覆粉材〔种类、

状态〕、基体〔资料、状态〕、成形路径、成形尺寸及工艺参数的选用等亲密

有关，一般为三维节余应力。

节余应力作为一种储藏弹性变形能的弹性应力，其量值往常处于惹起弹

性变形所对应的应力范围内，即在资料的折服强度σ s 或σ 0.2 以下，多是低节余应力，Griffith 等人采纳全息干涉法测定了快速成形H13钢薄壁件的两向应力，结果显示节余应力数值约为资料折服强度的 20%。激光快速成形过程中

熔覆层及基材经受一个极不平均的快热快冷作用，在高能激光束的作用下，熔

池及其邻近部位以远高于四周地区的速度被急剧加热，并局部融化、凝结及冷

却。融化地区在随后的凝结冷却过程中不行能自由缩短，其缩短变形将遇到四

周地区的约束，整体来看，熔覆层势必遇到一个拉伸应力的作用。下边详细以

板状成形件为例进行剖析，在剖析时忽视板件厚度方向节余应力，且以为节余

应力沿该方向呈平均散布，即处于平面应力状态，依照基体的变形和成形状况

来推测成形件的平面应力散布。

从成形基体的翘曲变形来初步判断，熔覆层节余应力的散布大概是上高

低低，以拉伸应力为主，这从成形过程中出现的裂纹能够解说，实验发现当熔

覆必定高度后，开始出现裂纹，且几乎全部的裂纹均沿近似垂直方向展开，即

是因为在凝结时或冷却时受熔覆层节余拉应力作用而形成的，相应在底部中会

形成压缩节余应力与之相均衡。

平行激光扫描方向：从成形基体在成形后发生的翘曲变形来看，平行激

光扫描方向应蒙受拉应力作用，较大的应力将惹起熔覆层开裂。剖析是因为开始

熔覆阶段，熔池和四周资料温差大，熔池资料凝结时同四周资料互相限制，又粉

材熔凝缩短沿扫描方向的不协调可能使得该方向应力符号不稳固，但随熔覆层的

增添应力状态渐渐稳固下来，主要蒙受拉应力，从而使基体发生翘曲变

形，较大的应力将惹起熔覆层开裂。 Griffith 等人研究了熔覆高度达 114mm的薄板件的两向节余应力，结果也说明平行扫描方向节余应力以拉为主。陈静等

研究结果说明，对于开裂敏感性较大的Ni60 自熔合金粉末，当熔覆层数增添到