基于生死单元的激光熔覆温度场数值模拟

基于生死单元的激光熔覆温度场数值模拟
基于生死单元的激光熔覆温度场数值模拟
摘要:计算了不同激光功率条件下粉末颗粒到达基底前的温升，并以粉末颗粒到达基底前的温度为初始条件。

用生死单元法研究了单通道和多通道激光熔覆温度场。

利用熔池的大小和形态，验证了模型的可靠性。

结果表明，粉末颗粒的温升与激光功率呈线性关系。

单个包层的温度变化是锯齿状的。

温升过程近似为直线，温降曲线近似为双曲线。

在多通道熔覆过程中，温度场呈微椭圆形。

节点上的热循环经过一个逐渐增加的峰值。

峰值温度最终趋于稳定。

0系列
激光熔覆根据送粉工艺不同可分为两种类型，即粉末预置法和同步送粉法。

本发明具有易于自动控制、激光能量吸收率高、无内部气孔的优点。

特别是对于覆层金属陶瓷，覆层的抗裂性可以显著提高，并且硬质陶瓷相可以均匀地分布在覆层中。

有广阔的应用空间。

国内学者利用ANSYS [1-4对激光熔覆过程的温度场和应力场进行了大量的研究工作。

目前，利用ANSYS模拟激光熔覆温度场的研究没有考虑激光束与粉末的相互作用。

事实上，激光束首先作用于粉末。

除了损失的能量，部分激光束被包覆粉末吸收。

另一部分通过粉末被基质吸收。

除了直接吸收激光束能量，基质还吸收从粉末转移到基质的能量。

因此，有必要在仿真前弄清激光能量的分布，使所建立的模型更接近实际，仿真结果更有说服力。

本文将粉末在到达基体前吸收能量后的温升作为初始温度场加载到基体上。

同时，利用有限元分析软件
ANSYS中的生死单元技术模拟了熔覆单元的生长过程。

高斯体热源加载基体吸收的能量，模拟送粉激光熔覆的温度场分布。

在此基础上，模拟了多道次激光熔覆的温度场，研究了多道次激光熔覆的温度场。

当屏蔽激光时，
1粉末到达基体前的温度为
粉末。

它还吸收部分激光能量，从而提高其温度。

事实上，粒子直接吸收激光辐射能量并发射辐射能量，而不考虑等离子体的影响(能量密度低于105W /cm2)。

在空气中，粉末颗粒也因空气对流而耗散能量，并且颗粒也相互加热。

这些能量在总能量中的比例非常小。

目前，关于粉体颗粒温升的模型很少。

此外，有必要在模型[5]中建立假设条件。

为了便于计算，模型中假设:
(1)气体-粉末射流中粉末颗粒的体积分数很低，并且受到激光反射、折射、颗粒离子间相互加热和束屏蔽等的影响。

可以忽略。

(2)粉末颗粒是半径为rP的球体。

由于粉末颗粒足够小，它们被认为是能量计算中的一个点。

颗粒的导热性是无限的，即粉末颗粒的温度被认为是均匀的，并且在光接收表面和背光表面之间没有差异。

(3)粉末颗粒仅吸收光接收表面上的能量，但是外部辐射发生在整个球体的表面上。

(4)粉末不吸收来自基质的光反射。

基于上述假设，粉末颗粒的温升可以根据颗粒的能量方程来计算。

这个方程是一个非线性方程。

利用Matlab软件，采用迭代法求解方程。

当激光功率P=2 kW时，方程的解在1500 ~ 1600k范围内，因此初始值被设置为t = 1500k，并且通过迭代发现方程的一个实根是t = 1570k。

改变激光功率，获得了当
粉末离子在不同激光功率下到达衬底时的温度，如图1所示，随着激光功率增加，粉末颗粒的温升在到达基体之前逐渐增加，并且以近似线性的关系增加。

当激光功率P = 1，500 W时，计算出粉末颗粒的温升T = 1，267 K，而Ni60粉末的熔点约为1，300 K。

这表明当激光功率低于1，500 W时，粉末在到达基体之前不会熔化，因此粉末颗粒将以固体颗粒的形式与基体碰撞，飞溅严重。

即使一些粉末颗粒熔化形成熔池，也不能保证基体的渗透。

当激光功率P=3时。

0 kW，T=2 111 K，粉末颗粒的温度远高于熔点温度，这将导致一些粉末颗粒的燃烧损失。

因此，在实际生产中，激光功率应控制在
±
的合理范围内。

图1激光功率对单个激光熔覆层
的粉末颗粒温度曲线
图11模型。

在建立热源模型的过程中，粉末在到达衬底之前与激光束相互作用。

激光束对粉末的影响是通过初始温度vT实现的，即假设在粉末飞行过程中吸收的所有有效能量都用于加热并作为初始温度场施加到包层单元。

根据毕加索的理论，基体吸收的能量可分为两部分:直接吸收和粉末传热。

基体直接吸收的热量是通过体热源的形式实现的。

用APDL语言编写了热源移动过程的程序。

在实际操作中，总是使用全局笛卡尔坐标系作为解的坐标系，并且在局部坐标系下施加载荷。

因此，从全局坐标系到局部坐标系的变换是通过包层方向的坐标变换来实现的，即z=Z-vt (1): Z是全局笛卡尔坐标系下的坐标；z是局部笛卡尔坐标系中的坐标；v是光源移动的速度；t是光源移动
的时间。

利用ANSYS中的生死单元技术模拟包层单元的生长过程。

在计算开始时，所有包层单元都设置为/dead 0单元。

在每个随后的计算步骤中，首先确定所有/死亡的0细胞是否落入激光束的照射区域。

如果它们落入激光束的照射区域，它们将被激活并包含在计算模型中。

2.1热源模型
中粉末颗粒的温升通过解析计算。

被衬底直接吸收的激光束热源模型使用圆柱形高斯体热源来模拟包层和衬底中的三维分布和热传导。

体热
密度表示为Q = Qmeexp(-3R 2/R2A)EXP(-BZ)(2)R =(V t-x)2+Y2(3)QM = CPPABH(4)
，其中QM是加热点中心的最大热流；b是激光体的热密度沿厚度方向的衰减系数；r是从某一深度的任何一点(x，y)到物体热流中心的距离；Ra是激光的有效作用半径。

a和b是高斯热源的长轴和短轴；h是包层深度；c是基质对激光的吸收系数。

2.2材料热物性参数
激光熔覆工艺是加热)熔化)凝固)冷却工艺，包括相变。

相变热模型在数学上是一个强非线性问题，使得计算困难。

对于Q235基体材料，在糊状熔化区调整比热容c=$H/$T，以近似计算[6]。

其中，$H是熔化潜热，$T是熔化温度区间。

粉末颗粒的熔化潜热为$HP=0。

26焦耳/毫克，比热容c=4。

59@108J/kge，熔化温度区间为[1 230 K，基体材料的熔化潜热1 310K]HW = 0.273 9j/mg。

ni60自熔合金的密度取值为8。

常温下为378@103kg/m3。

为了获得一个好的收敛解，牛顿延
拓法的线性搜索被激活。

3单个激光熔覆温度场
的模拟考虑了对称性。

取1/2的工件进行分析。

八节点六面体等参元用于离散工件。

为了保证计算精度，网格在包层及其邻近部分进行细化。

该程序是利用生死元素技术编制的。

首先，包层的
个元素存储在预定义的阵列中，所有元素都被0杀死。

然后，建立局部坐标系，通过*DO循环实现光斑的运动。

判断包层单元是否在激光光斑范围内，如果有，激活该单元，如果没有，直接进入下一个周期。

将粉末颗粒的温升作为初始载荷加载到激活的包覆单元。

矩阵直接吸收的能量通过高斯体热源施加。

高斯函数是用ANSYS内置的函数编辑器编写的。

粉末进料速率va = 71。

模拟了熔覆层随着激光光斑的移动而逐渐生长的过程。

图2是当衬底温度降低时的温度场的等值面图。

在图中，最高温度区域的边界，即温度0。

衬底对称面上距衬底上表面50毫米处为1 653 K，衬底熔化温度为1 670 K，衬底穿透深度为0。

50毫米，这与实际检测结果0。

基于生死单元的激光熔覆温度场数值模拟83。

通过这种测定熔点的方法，确定熔融宽度为216毫米。

与2的测量结果吻合较好。

图3示出了测试样品包层的金相结构和数值模拟形态的比较。

图2衬底温度场等值面图
图2衬底温度场等值面图
图3样品
图3金属图形薄膜和熔池
温度场的金相形态和数值模拟形态对比根据以上分析，本文采用的模型合理可行，可以进行下一步的模拟分析图4示出了包层中序列号为740的节点(x=0.000，Y=0。

000 8 m，z=0。

021米)。

当时间t=6时。

667秒，光斑开始被激光光斑直接照射，温度迅速上升。

当t=7时。

0秒，激光光斑的中心移动到该点，温度上升到最高点。

当t=7时。

333秒，光点移出该点，该点的温度迅速下降。

温升曲线近似为直线。

冷却曲线的曲线
近似为双曲线的一个分支，整个曲线呈锯齿状。

计算曲线的导数。

此时可以得到温度变化率曲线。

图4温度变化曲线
图14温度变化
4实现多通道激光熔覆温度场模拟4.1多通道重叠激光熔覆模型
激光功率为2。

0千瓦，扫描速率为3。

0毫米/秒，送粉速度为71。

根据上述熔覆粉末到达基底时的温度计算，初始温度为1 570 K。

为了节省计算时间，仅覆盖三个熔覆道次，重叠率为20%。

这是因为有许多包层数据文件，输出负载步进数超过1000。

为了分析包层上的热循环，在第一个顶点取点A，在第二个和第三个顶点取点B和点C，分析不同包层上相同位置点的热循环。

图5是多通道研磨和拾取点的示意图。

图5是多通道搭接顺序和拾取点
图15的示意图，顺序为多通道激光熔覆和拾取点
4.2多通道搭接激光熔覆16的模拟结果分析。

包层需要667 s。

激光返回时间设置为1秒，即通道间重叠时间间隔为1秒。

完成熔覆和在空气中冷却大约需要52秒。

图6示出了第一激光返回过程结束时，即第二激光返回过程结束时的温度场分布。

虽然返回时间很短，但温度场变化很大。

最高温度为861 K，接近最低温度630 K，温度场趋于平衡。

图7示出了第三包层工艺中某一时刻的温度场分布，其示出了温度场呈延迟的部分椭圆形状。

也就是说，温度为
度的场椭圆没有光斑
图6多通道熔覆温度场云图
图16作为第二个刚完成的
的温度场轮廓中心对称，但它向熔覆层已经形成的一侧倾斜，这是多通道温度场不同于单通道熔覆的地方。

多通道包层形成部分椭圆形的原因。

原因是形成包层的前一次通过首先对随后的包层有影响，并且包层首先具有相对于非包层区域的初始温度差。

因此温度场不能沿扫描线对称。

图7温度场分布云图
图17温度场等值线如权利要求3所述
根据图5所示的取点方法，分析每个包层上的热循环。

图8中示出了点a、b和c处的温度随时间的变化。

从图8可以看出，三条曲线上的最高峰值温度逐渐增加，因为点a是第一包层上的点，点b和c 分别是第二和第三包层上的点。

前一道次的熔覆相当于后续道次的预热熔覆。

图8 A和B以及C点温度变化曲线
图18 A、B和C点温度变化
5结论
(1)激光熔覆送粉过程的模拟计算是通过ANSYS生死单元技术实现的。

实验证明，该模型用于模拟送粉激光熔覆温度场是合理的。

发现粒子温升与激光功率之间存在线性关系。

(2)模拟表明，单程熔覆过程中熔覆层的温度变化呈锯齿形，加热过程近似呈线性上升，冷却曲线近似呈双曲线分支。

(3)多道次熔覆过程中的温度场呈现延迟的部分椭圆形状。

也就是说，温度场椭圆向已经形成包层的一侧倾斜。

后一层的最高温度高于前一层，与衬底或包层上的点无关。

然而，随着熔覆道次的增加，最高温度将趋于稳定。

图8 A和图8B及图8C温度变化曲线
图18 A点、B点和C点的温度变化
5结论
(1)激光熔覆送粉过程的模拟计算是通过ANSYS生死单元技术实现的。

实验证明，该模型用于模拟送粉激光熔覆温度场是合理的。

发现粒子温升与激光功率之间存在线性关系。

(2)模拟表明，单程熔覆过程中熔覆层的温度变化呈锯齿形，加热过程近似呈线性上升，冷却曲线近似呈双曲线分支。

(3)多道次熔覆过程中的温度场呈现延迟的部分椭圆形状。

也就是说，温度场椭圆向已经形成包层的一侧倾斜。

后一层的最高温度高于前一层，与衬底或包层上的点无关。

然而，随着熔覆道次的增加，最高温度将趋于稳定。