激光粉末床熔融WC-12Co硬质合金温度场模拟

结合有限元软件ANSYS建立三维有限元热模型,利用APDL命令及生死单元方法实现对高斯热源的施加和WC-12Co硬质合金打印过程的模拟,得到WC-12Co硬质合金在激光粉末床熔融(LPBF)成形过程中的温度场分布,研究不同工艺参数(激光功率、扫描速度)对温度场分布及熔池特征的影响。结果表明:WC-12Co硬质合金在LPBF过程成形时,利用有限元能够有效模拟其成形过程。位于热源前部的等温线比尾部更为密集,温度梯度更大;而扫描路径终端边缘处熔池中心的温度最高。随着激光功率的增大和扫描速度的减小,熔池宽度、深度和长度均相应增大。通过相关实验分析不同工艺参数对晶粒尺寸的影响,发现晶粒尺寸随扫描速度的增加而减小,随激光功率的增加而增大;但过高的激光功率会引起一定的热裂纹现象发生。

基于各向异性热导率设置的选区激光熔化成形过程仿真分析

针对选区激光熔化(SLM)工艺下零件中高残余应力问题,同时考虑到打印过程中熔池对流效应,本文通过设置各向异性热导率材料参数,利用有限元方法对Inconel 718合金粉末SLM成形过程中的温度场和应力场进行模拟,分析了基板预热温度对成形件残余应力的影响。结果表明,选择合适的各向异性热导率增强系数可显著提升温度场的仿真精度,并且越靠近热源中心区域,温度梯度越大;在应力方面,高应力区域集中分布于成形件上表面,最大残余应力位于成形件与基板的交界处,此处易发生开裂变形;采用基板预热方式能改善成形件中残余应力分布,随着预热温度提升,最大残余应力降低,成形件上表面高应力分布区域减小。

基于增量PID的激光增材制造熔池温度控制

针对激光增材制造过程中熔池温度波动引起的成形件尺寸精度的问题,设计了一套基于增量PID的熔池温度控制系统。该系统采用比色高温计测量熔池温度,利用增量PID控制算法实时调节激光功率以稳定熔池温度。实验结果表明,与开环状况对比,该控制系统能够稳定熔池温度,提高成形件尺寸精度。

6061铝合金增材制造温度场仿真

针对6061铝合金的电子束选区熔化(Selective Electron Beam Melting,SEBM)过程,采用ANSYS构建了温度场仿真三维有限元模型。考虑材料的热物性参数随温度的变化特性,通过高斯面热源在粉末床上移动,研究了电子束功率、扫描速度和铝合金预热温度对熔池尺寸、熔池热历史的影响,为6061铝合金电子束选区增材制造工艺参数的选择提供理论依据。研究结果表明:熔池宽度、熔池深度随着电子束功率、预热温度的增大而增大;输入线能量小于0.19 J/mm时,熔池深度、宽度均随着扫描速度的增大而减小,熔池长度随扫描速度的增大而增大;当输入线能量大于0.19 J/mm时,熔池深度、宽度均随着扫描速度的增大而增大,但增大速率减小,熔池长度随扫描速度的增大而减小。电子束功率是影响熔池冷却速率的主要因素。不同扫描路径的粉末层温度分布不同,采用合理的扫描路径可使得整个零件的热分布更加均匀。

激光功率与扫描速度对选区激光熔化钴铬合金组织性能的影响

目的明确选区激光熔化钴铬合金中激光线能量密度、激光功率和激光扫描速度对成形件组织、性能的影响,探究优化工艺参数的方法。方法基于ANSYS有限元软件模拟选区激光熔化过程中熔池尺寸的基础上,通过金相显微镜分析了熔池尺寸和显微组织,电子背散射衍射分析了晶粒尺寸,使用力学试验机和洛氏硬度计研究了试样的力学性能。结果随着线能量密度降低,成形件的熔池尺寸、晶粒大小、冷却速度和力学性能降低。但在激光线线能量密度为0.242 J/mm的条件下,扫描速度为1200 mm/s时成形试样的致密度为98.7%,抗拉强度为867 MPa,延伸率为6.5%,其力学性能均高于扫描速度为950 mm/s时成形的试样,与线能量密度更高的0.263 J/mm成形条件下250 W+950 mm/s的成形试样力学性能相近。结论激光线能量密度是影响选区激光熔化钴铬合金熔池尺寸和组织性能的关键因素,但熔池尺寸与激光线能量密度没有线性关系。相同的线能量密度下,增加激光扫描速度,有利于获得大的熔池尺寸和冷却速度,提高成形件的致密度和降低晶粒尺寸,最终使成形件力学性能提高。

激光光斑尺寸对激光焊接熔池、匙孔行为的影响

在激光焊接中,激光光斑半径的大小直接影响激光功率密度,不同的激光功率密度对熔池流场和小孔的三维形状有影响。然而,关于激光光斑尺寸对激光熔池和小孔行为的影响的研究很少。基于Fluent软件建立了激光焊接热-流耦合模型,研究了激光光斑尺寸下激光焊接过程的匙孔三维瞬态行为及熔池流场。研究结果表明,随着光斑半径的增大,匙孔的深度明显变小。光斑半径分别为0.1 mm和0.15 mm时,焊接过程中均会出现匙孔底部闭合的情况,当光斑半径为0.2 mm时,匙孔未出现闭合的情况,匙孔的稳定性有所提高。随着光斑半径的增大,熔池最大流动速度波动相对较小,熔池尺寸逐渐增大。

TC11钛合金单道选区激光熔化成形机理与工艺参数影响规律

为探明TC11钛合金选区激光熔化成形规律,以获得高质量TC11钛合金增材制造参数,本文基于离散单元法建立粒径呈高斯分布的粉末层,并将其通过UDF导入到Fluent软件,建立介观尺度下的选区激光熔化CFD模型,对不同工艺参数下的单道形貌缺陷以及熔池演变过程进行模拟,阐明TC11钛合金单道选区激光熔化成形机理,并结合实验验证仿真模型的准确性.结果表明:当能量密度较小时,部分粒径较大或较为集中的粉末无法吸收足够的能量后熔化,故易产生球化或单道不平直等缺陷;在相同线能量密度下,过高扫描速度也会导致缺陷形成,且实验和仿真误差在15%以内.研究结果可为提高TC11增材制造质量和工艺参数优化提供依据.

316L不锈钢选区激光熔化单道熔池几何尺寸演变规律

目的探究激光功率(P)和扫描速度(v)对单熔道熔池几何特征尺寸的影响规律,以及P–v组合工艺参数对熔池从成形到稳定状态经历的扫描距离的影响规律。方法以316L为材料,通过单熔道数值仿真分析,建立P–v变量与研究目标之间的影响关系。结果不同P–v参数组合对熔池几何尺寸的影响规律明显,熔池几何参数达到稳定状态需要经历一定的激光扫描距离(小于1 mm)。随着激光功率增大,熔池长度达到稳定状态所经历的激光扫描距离随之增大,而熔池深度尺寸随之减小。扫描速度增大到400 mm/s时,熔池达到稳定经历的扫描长度缩短了6.7%,扫描速度对熔池稳定性的影响效果不显著。结论在SLM单道成形过程中,激光功率、扫描速度越大,成形熔池平均长度尺寸也越大;激光功率越大、扫描速度越小,成形熔池深度及平均宽度越大。模拟试验获得重熔效果较好的P–v参数组合为P=200W、v=800mm/s,重熔率达到94%。在熔池成形过程中,激光功率对熔池稳定性的影响起主导作用。为了减少成形件的边界翘曲,在打印试件初始成形阶段应在合理激光功率范围内选择较高的激光功率。

熔池尺寸对在役焊接烧穿失稳的影响

采用大型通用有限元分析软件ANSYS,计算不同的熔池在特定温度场下,径向变形随压力的变化规律,来探究不同熔池尺寸对在役焊接烧穿失稳的影响.结果表明,对于某一特定熔池尺寸,温度场维持不变时,当管壁受压力较小时,内壁温度最高点的变形为内凹变形,随压力增大,变形逐渐变为外凸,变形随压力增加呈线性变化;但当压力超过一定值时,变形随压力不再呈线性变化,变形迅速增加;对不同的熔池尺寸,当熔深、压力一定时,熔池长度、宽度越小,其失稳温度越高.当熔深、内壁最高温度相同时,熔池长度、宽度越小其失稳压力越大.

TC4钛合金光纤激光焊接熔池尺寸与近红外光信号之间的关系

利用光信号实时监测系统对TC4钛合金光纤激光焊接熔池近红外光信号进行监测,探讨了熔池尺寸与近红外光信号之间的关系。试验结果表明,近红外光信号强度与熔池表面尺寸之间存在线性关系,在穿透型与非穿透型小孔条件下,二者之间的线性关系式不同;近红外光信号强度与熔深之间存在较为明显的二次曲线关系。

激光选区熔化316L不锈钢成型过程的模拟分析

激光选区熔化成型技术(SLM)在增材制造领域中有重要的价值。不同参数对其热过程的影响还需进一步研究。本研究在综合了成型过程中一系列复杂的物理化学现象的基础上,建立了SLM成型316L不锈钢的温度场数值模拟模型,研究了激光功率、扫描速率和扫描间距对SLM温度场以及熔池尺寸等的影响,并通过实验验证了模拟结果的可靠性。结果表明:激光功率和扫描间距对于温度场以及熔池尺寸的影响较大,而扫描速度对其影响相对较小;激光功率较小、扫描速率较大或扫描间距较大时,温度场内温度降低,熔池尺寸较小,易形成孔穴类缺陷;通过实验得到,上述条件下试样表面出现未熔融的球化粉末颗粒和孔洞,熔池稳定性降低,成型质量下降;相反条件下,熔池相对稳定,其表面质量改善,但出现少量飞溅物。实验结果与数值模拟结果基本一致,保证了数值模拟结果的准确性。

激光选区熔化GH3536合金温度场的模拟实验研究

采用高斯热源对GH3536合金的单道多层激光选区熔化温度场进行了数值模拟,分析了不同工艺参数对成形温度场以及熔池尺寸的影响。模拟结果表明:高斯体热源模型较面热源更加准确,且与熔池形貌吻合较好;随着扫描层数的增加,熔池的峰值温度以及熔池尺寸呈小幅度上升状态;与激光功率相比,扫描速度对熔池峰值温度的影响更大。实验结果表明:当激光功率为150 W、扫描速度为600~850 mm/s时,GH3536合金成形试样截面形貌较好,孔隙、裂纹等缺陷很少。为提高火焰筒成形质量、优化其成形工艺参数提供了可靠依据。

激光功率对激光粉末床熔融成形Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)共晶陶瓷熔池形态、微观组织和力学性能影响的研究

熔融生长的Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)共晶陶瓷具有优异的高温性能。采用激光粉末床熔融(LPBF)直接制备Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)共晶陶瓷,研究了不同激光功率下的单道形貌特征及块体表面质量、物相组成、微观组织结构的演变规律和力学性能。结果表明,激光功率的提升将增加熔池的长度和单沉积道的宽度。Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)共晶陶瓷的表面粗糙度(Ra)和气孔率均随着激光功率的增加先降低后升高。在没有添加Y2O_(3)等稳定剂的条件下,Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)共晶陶瓷的物相主要包括α-Al_(2)O_(3)、m-ZrO_(2)和亚稳相t-ZrO_(2)。随着激光功率的增加,m-ZrO_(2)逐渐减少,这是由于LPBF的快速冷却过程抑制了马氏体相变。样件的晶粒尺寸随着激光功率的增加呈增大趋势,晶界密度减小,因此测量的显微硬度和断裂韧性呈现下降的趋势。当激光功率为60 W时,得到硬度为Hv=17.19 GPa和断裂韧性为KIC=6.67 MPa·m1/2的最优力学性能样品。

镍基合金激光熔覆数值模拟及凝固参数预测

本文采用有限体积法对激光熔覆过程的温度场分布和熔体流动进行了数值模拟。基于CALPHAD相图法计算了基体和粉末的热物理性质,采用三维热源精确预测了凝固过程和温度分布,研究了Marangoni对流对熔池尺寸的影响。在熔池凝固过程中模拟所得出的温度梯度和凝固速度,预测了熔覆层凝固组织的演变趋势,相应的显微组织与实验结果吻合较好。

激光熔覆718合金工艺参数优化的数值模拟研究

以ANSYS软件为平台,针对45钢表面激光熔覆Inconel 718合金建立了瞬态三维有限元温度场模型,采用半椭球体热源模拟半导体激光器矩形光斑热源,利用实验和模拟相结合的方法确定了最佳热源参数,然后就离焦量、激光功率、扫描速度对熔池最高温度、熔池尺寸的影响进行了数值模拟研究,确定了最优工艺参数为离焦量15mm,扫描速度2.0mm/s,激光功率1 300W,并对最优工艺参数进行了实验验证。研究结果表明,建立合理的热源模型并采用正确的热源参数后,可以利用数值模拟的方法确定激光熔覆718合金的最优工艺参数,从而可大幅度减少实验工作量。

不同热源模型对选区激光熔化18Ni300温度场计算结果的影响

为了明确不同热源模型对选区激光熔化18Ni300成形过程温度场模拟计算的适用性,使用ANSYS APDL对单层单道激光熔化成形过程进行了温度场计算,比较了高斯面热源和双椭球热源两种热源模型计算的18Ni300金属粉末熔道的温度场和熔池尺寸。结果表明,双椭球热源模型计算结果的准确性优于高斯面热源模型的计算结果,与试验结果吻合良好。在选区激光熔化过程中,熔池尺寸不仅与激光功率、扫描速度有关,还与激光能量在粉末中的扩散有关。扫描速度对熔池宽度和深度的影响是非线性的。当激光线能量密度相同时,高激光功率和高扫描速度下获得的熔池的深度和宽度大于低功率和低扫描速度下获得的。

激光熔覆精准再制造在线监测研究

针对激光熔覆过程由于热输入难以准确控制,导致成型精度及质量难以达到预期的问题,通过搭建激光熔覆熔池监控系统,准确测量熔池尺寸,得出熔覆参数与熔池形貌之间的关系。利用彩色CCD比色测温方法,获取能显示温度场分布的温度伪彩图。结果表明:随着激光功率的变化,熔池形貌会产生较大的变化,而送粉率的变化对熔池形貌的影响表现并不明显。由于热累积,熔池的"拖尾现象"始终存在于熔池的整个熔覆过程中,并会随功率的增加愈加明显,使CCD相机测得的熔池的面积并不能准确反映出熔池在熔覆过程中的变化情况。因此,在后续的激光熔覆闭环控制系统的设计之中,应优先选用熔池宽度信息作为变量,以达到高质量熔覆的目的。

薄壁结构高频超声应力场COMSOL仿真及试验研究

为了深入研究高频超声振动(high-frequency ultrasound vibration,HFUV)对飞机薄壁结构激光焊接微熔池的影响机理,借助COMSOL软件,建立了激光微熔池模型,开展了旁触式单振源模式下振幅、超声加载位置等参数对熔池声压作用规律的仿真计算,分析了超声空化效应和声流效应的产生条件,并试验验证了超声功率对接头微观组织以及生成相的影响。结果表明,高频超声振动使得激光微熔池内部声压产生正负交替变化,温度场更加均匀,有利于空化泡的形成、闭合和超声空化效应的产生,降低残余应力;超声加载位置、超声振幅与熔池输入声压成正比,超声加载位置每靠近熔池10 mm,熔池声压增大2~3倍,每增大4μ倍的振动幅值,熔池输入声压增大10 Pa;超声振动对熔池主要起搅拌作用,当振幅>7μm、加载位置到熔池距离<60 mm时可产生声流效应,距离<15 mm时,影响机制则以空化效应为主;随着辅加超声振动场强度的增大,焊缝组织的晶粒度呈单调增加的趋势,即组织随超声功率的增加逐渐细化。