選區(qū)激光熔化溫度場仿真及溫度調(diào)控研究

孔 帥,李亞琦,曹素紅,李九良,吝肖肖,吳寶平

(中國船舶重工集團公司第七一八研究所,河北 邯鄲 056000)

0 引言

由于SLM技術(shù)能夠直接制造出形狀復(fù)雜、組織致密度高、成形尺寸精度高、力學(xué)性能好的零件,被認為是當前最有潛力的AM技術(shù)之一[1-3]?，F(xiàn)在已經(jīng)被大量應(yīng)用于航空航天、醫(yī)學(xué)生物、電子、汽車、建筑、海軍潛艇等各個領(lǐng)域,成為當今的一個研究熱點。然而,SLM技術(shù)也面臨著一些技術(shù)難題需要解決,例如粉末材料經(jīng)過快速熔化與凝固,發(fā)生復(fù)雜的物理與化學(xué)變化,導(dǎo)致最后成形件出現(xiàn)致密度、精度不高,裂紋翹曲,力學(xué)性能差等現(xiàn)象,因此SLM成形技術(shù)還需要進一步研究和完善。由于選區(qū)激光熔化熱行為是非常復(fù)雜的,而且在選區(qū)激光熔化過程中激光熱源掃描速度快、激光光斑直徑小和加工環(huán)境封閉等條件限制了SLM加工過程的觀察與監(jiān)測。

當前的主流研究路線圖都強調(diào)開發(fā)建模和仿真工具,以增進對SLM加工過程的理解,并最終用作優(yōu)化過程和減輕缺陷的預(yù)測工具。當前大多數(shù)的學(xué)者采用有限元法(Finite Element Analysis,FEA)來對SLM的溫度場進行研究。華中科技大學(xué)李佳佳[4]基于溫度場模型研究了加工工藝參數(shù)對選區(qū)激光熔化多組元合金溫度場的影響。南京航空航天大學(xué)李雅莉等[5]采用有限元法對溫度場建模,在只改變激光功率的情況下對AlSi10Mg熔池尺寸進行了分析,結(jié)果表明:熔池長度與深度之比隨著激光功率的增加而增加。華中科技大學(xué)彭剛勇等[6]將材料的各向異性考慮到溫度場模型中來提高預(yù)測模型的精度,并且基于實驗進行了驗證。中北大學(xué)李寶強等[7]為了探究多激光選區(qū)激光熔化技術(shù),建立了一個3D有限元模型來獲得不同掃描次數(shù)的AlSi10Mg的溫度場。

1 SLM溫度場仿真模型

1.1 控制方程

SLM在加工過程中,一直存在熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射的作用,如圖1所示。粉床內(nèi)的熱量變化可以采用非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方程來描述[8-10]:

圖1 SLM物理模型示意圖

(1)

其中,T是溫度,t是時間,k為粉末的有效導(dǎo)熱系數(shù),c為材料的比熱,ρ為粉末的密度,q為熱流密度。

在這些參數(shù)中,k,c,q都隨溫度呈現(xiàn)非線性變化規(guī)律。本文通過查閱合金手冊和采用插值法確定了實體狀態(tài)和液體狀態(tài)銅錫合金的材料熱物性參數(shù),并根據(jù)孔隙率計算出了粉末的熱物性參數(shù)。

1.2 熱源模型

采用的高斯激光熱源可以表示為[11-12]:

(2)

式中,P為激光功率,W;ω為激光光斑半徑;A為激光吸收功率;r為粉床表面上某一點位置到光斑中心的距離;v為激光掃描速度。

1.3 相變潛熱

本文基于ANSYS采用熱焓法進行相變潛熱處理,其公式為:

(3)

式中,ρ為材料的密度;c為材料比熱容;T為溫度。

1.4 邊界條件

邊界條件主要分為四種,第一種邊界條件為初始條件下邊界溫度,假設(shè)初始溫度為室溫T0,可以表示為:

T(x,y,t)|t=0=T0

(4)

本文激光熱源輻射到粉末表面被簡化為熱流密度輸入,屬于第二種邊界條件,可以定義為:

(5)

粉床表面存在以空氣(保護氣體氬氣)為介質(zhì)的對流換熱過程,屬于第三種邊界條件,可以定義為:

(6)

式中,h為對流換熱系數(shù)。

粉床表面向環(huán)境輻射熱能,屬于第四類邊界條件,可以定義為:

(7)

式中,ε為物體的有效輻射率(黑度);σ為Stefan-Boltzmann常數(shù),5.67×10-8W/m2·k4。

1.5 有限元模擬

圖2 溫度場有限元模型

基于ANSYS軟件對SLM過程中銅錫合金溫度場進行模擬仿真,SLM的工藝參數(shù)如表1所示。在仿真過程中,有限元模型主要分為兩層,如圖2所示,分別為基板和粉末層,粉末層的尺寸為1.2 mm×0.6 mm×0.03 mm,基板的尺寸為2.4 mm×1.4 mm×0.2 mm。

表1 有限元分析中的參數(shù)

2 基于有限元模型的SLM溫度調(diào)控分析

SLM溫度場溫度對于工件的成形質(zhì)量具有重要的作用,而溫度場溫度又是由加工工藝決定的,并且溫度場溫度很難被直接測量,因此本文基于溫度場有限元模型來研究不同加工工藝參數(shù)對溫度場的影響?；诖罅繉W(xué)者的研究表明,影響選區(qū)激光熔化成形質(zhì)量的加工工藝參數(shù)非常多,但是激光功率、掃描速度、粉末層厚和掃描間距等是影響工件成形質(zhì)量的重要參數(shù)。所以本文分別研究激光功率、掃描速度、粉末層厚和掃描間距這些工藝參數(shù)對銅合金溫度場溫度的影響。

因此,本文建立了銅合金SLM溫度場有限元模型,研究了不同工藝參數(shù)(激光功率、掃描速度、粉末層厚、掃描間距)對溫度場溫度的影響,以達到通過調(diào)控溫度來提高成形質(zhì)量的目的。

2.1 激光功率對溫度場溫度的影響

圖3為不同激光功率下熔池對比圖。從圖中可以看出:激光功率為100 W、200 W、300 W、400 W時,溫度場的最大溫度分別為866.266 ℃、1681.37 ℃、2522.06 ℃、3346.83 ℃,隨著激光功率的增加而增加。隨著激光功率的不斷增加,紅色區(qū)域熔池的面積越來越大,熱量擴散的區(qū)域也越來越大,這是由于隨著激光功率的增加,單位時間內(nèi)輸入的熱量增多導(dǎo)致的。圖3(a)基本上看不到紅色區(qū)域,這是因為激光功率過小,沒有超過粉末熔點,此時粉末完全不熔化;圖3(d)中熔池區(qū)域最大,最大溫度超過了沸點,會導(dǎo)致出現(xiàn)粉末氣化蒸發(fā)等現(xiàn)象,而且當前工藝下會產(chǎn)生非常劇烈的液滴飛濺等現(xiàn)象,這些現(xiàn)象不利于最終工件的成形質(zhì)量。

圖3 不同激光功率下熔池云圖對比

2.2 掃描速度對溫度場溫度的影響

圖4為不同掃描速度下熔池云圖對比圖。從圖中可以看出,中心最大溫度、紅色區(qū)域熔池面積和熱擴散區(qū)域為(a)>(b)>(c)>(d)。通過對比可以得知,掃描速度對溫度場熔池的影響非常明顯,隨著掃描速度的增加,熔池最大溫度、熔池的面積和熱擴散區(qū)域不斷減小;但是相對于激光功率對溫度場的影響,掃描速度對最大溫度和紅色區(qū)域熔池面積影響較小,對熱擴散區(qū)域的影響要大于激光功率。而掃描速度的大小也會影響熔池存在的時間,研究表明:熔池存在的時間長短對球化現(xiàn)象會有顯著的影響。

圖4 不同掃描速度下熔池云圖對比

2.3 掃描間距對溫度場溫度的影響

圖5為不同掃描間距下熔池云圖對比圖,圖5(a)、圖5(b)和圖5(c)分別代表掃描間距為80 μm、100 μm和120 μm,對應(yīng)的熔池最大溫度分別為2601.01 ℃、2580.52 ℃、2570.16 ℃,隨著掃描間距的增加,最大溫度逐漸降低,兩者呈負相關(guān),但是變化并不明顯。從圖中可以看出:圖5(a)、圖5(b)和圖5(c)沒有明顯的區(qū)別,這說明掃描間距對溫度場的熔池的溫度影響不大。事實上,掃描間距對加工至關(guān)重要,如果掃描間距過大,導(dǎo)致搭接率較小,相鄰的單熔道之間就會搭接不良,并且出現(xiàn)較大的缺陷,從而導(dǎo)致成形工件表面的粗糙度較大,而且也會導(dǎo)致出現(xiàn)致密度不高等缺陷;如果掃描間距過小,導(dǎo)致搭接率較大,就會導(dǎo)致過度重熔,從而產(chǎn)生球化等現(xiàn)象,同樣會使工件成形質(zhì)量不高,而且掃描間距過小會影響加工效率。

圖5 不同掃描間距下熔池云圖對比

2.4 粉末層厚對溫度場溫度的影響

圖6為不同粉末層厚下熔池分布云圖對比圖,其中圖6(a)、圖6(b)和圖6(c)分別是粉末層厚為20 μm、30 μm和40 μm時的熔池云圖,從圖中可以看出:粉末層厚為20 μm、30 μm和40 μm時熔池最大溫度分別為2425.81 ℃、2511.98 ℃、2576.62 ℃,隨著粉末層厚的增加,最大溫度逐漸增加,但是變化并不明顯,熔池云圖基本相同,這表明在一定范圍內(nèi)粉末層厚對溫度場熔池溫度影響不大。但是,粉末層厚對于SLM加工有著重要的作用,粉末層厚較小會導(dǎo)致加工效率過低,粉末層較厚會導(dǎo)致粉末不能完全熔化。因此,在選區(qū)激光加工過程中,粉末層厚需要控制在合理的范圍內(nèi),既不能過大也不能過小,要略微大于熔池的深度。

圖6 不同粉末層厚下熔池云圖對比

3 結(jié)論

1)本文基于溫度場有限元模型,分析了不同工藝參數(shù)對溫度場的影響,在一定工藝參數(shù)范圍內(nèi),SLM的激光功率和掃描速度對溫度場溫度的影響非常顯著,隨著激光功率的增大而增大,隨著掃描速度的增大而減小;掃描間距和粉末層厚雖然對溫度場溫度有一定的影響,但是影響非常小,溫度場溫度大小的調(diào)控主要取決于激光功率和掃描速度。

2)溫度雖然是決定SLM成形質(zhì)量的重要因素,但是SLM成形過程是非常復(fù)雜的,它還和熔池的特性、粉末的特性等因素有關(guān);掃描間距和粉末層厚雖然對溫度場溫度的影響較小,但它們?nèi)允怯绊慡LM成形質(zhì)量的重要因素;因此SLM的成形質(zhì)量除了考慮溫度外,還需要多因素進行考慮,采用多目標進行決策尋優(yōu),這也是本文下一步研究的重點方向。