[發明專利]一種激光定向能量沉積熔池形貌尺寸預測與監控方法

有效

• 申請號: 202010073427.X
• 申請日: 2020-01-22
• 公開（公告）號: CN111112621B
• 公開（公告）日: 2021-08-03
• 發明（設計）人: 韋輝亮;廖文和;劉婷婷;劉福欽
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;G01B21/04;G01B21/08;G01B21/20;B33Y10/00;B33Y50/02
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 劉佳慧

本發明公開了一種激光定向能量沉積熔池形貌尺寸預測與監控方法，步驟一、建立計算流體力學模型，進行網格的劃分，定義材料熱物理屬性，進行模型初始化；步驟二、建立控制方程，并依據方程模擬出熔池；步驟三、根據各個網格的體積分數變量和溫度判斷各交界面和熔池的實時形貌位置，計算出熔池的尺寸。本發明建立了一種基于激光定向能量沉積的熱流傳輸模型，可用于實時的監控熔池尺寸的變化，解決了激光定向能量傳輸過程中熔池尺寸難以監控的問題，對于激光定向能量沉積的工程應用有很好的借鑒意義。

技術領域

本發明屬于激光增材制造和快速成形技術領域，涉及一種監控方法，尤其涉及一種激光定向能量沉積熔池形貌尺寸預測與監控方法。

背景技術

伴隨著科學技術的不斷進步，增材制造技術也得到了飛速的發展。激光定向能量沉積技術是基于快速原型制造而發展起來的一種新型的增材制造技術，主要是利用一些特定的軟件對零件的三維數據模型進行切片以及分層，然后通過能量比較高的激光束對同步送出的金屬粉末進行逐道逐層的熔化，通過這種逐層的熔化凝固的過程制造出合適的三維實體零件。

激光定向能量沉積是伴隨著多種能量變化的多物理場、多尺度的過程，當激光將同步送進的粉末進行熔化的過程中會形成熔池，而在熔池中由于表面張力梯度的影響會產生對流，從而驅動熔池中的液體流動，在熔池中就會發生熱對流、熱輻射、熱傳導和固液的相變以及氣體與液體之間的冶金反應，這是一個復雜的動態物理過程。而這些復雜的物理過程與最后成形件的表面質量和孔隙缺陷等都息息相關，而通過實驗卻無法追蹤到激光定向能量沉積過程中熔池內部復雜的變化過程，并且無法實時的輸出熔池在各個時間步的尺寸變化，所以采用數值模擬的方法實時監控熔池尺寸的變化對于激光定向能量沉積研究有著重要的意義。

發明內容

本發明提供一種激光定向能量沉積熔池形貌尺寸預測與監控方法，以克服現有技術的缺陷。

為實現上述目的，本發明提供一種激光定向能量沉積熔池形貌尺寸預測與監控方法，步驟一、建立計算流體力學模型，進行網格的劃分，定義材料熱物理屬性，進行模型初始化；步驟二、建立控制方程，并依據方程模擬出熔池；步驟三、根據各個網格的體積分數變量和溫度判斷各交界面和熔池的實時形貌位置，計算出熔池的尺寸。

其中，步驟二中，在計算流體力學的范圍之內，任何一種物體的流動都必須遵守動量守恒、質量守恒以及能量守恒定律，所以控制方程的建立包括能量守恒方程、質量守恒方程和動量守恒方程的建立三個方面。此模型所用的熱源設置為高斯熱源，除此之外，還要速度和溫度兩個方面進行初始條件和邊界條件的設定。

步驟三中，在激光定向能量沉積的數值模擬過程中，溫度和速度的數值都是基于網格來給定的，網格劃分可以把模型分成很多小的單元，網格化分的越細，計算的值就越精確，本步驟就是根據各個網格中的溫度值來判斷熔池所在的位置跟蹤自由界面的動態形貌，并且實時計算出熔池的尺寸。

進一步，本發明提供一種激光定向能量沉積熔池形貌尺寸預測與監控方法，還可以具有這樣的特征：其中，步驟三中，熔池的尺寸包括熔池長度、熔池寬度、熔池高度、熔池深度、熔池頂部表面積、熔池體積和熔池橫斷面面積。

進一步，本發明提供一種激光定向能量沉積熔池形貌尺寸預測與監控方法，還可以具有這樣的特征：其中，步驟三中，熔池長度的監控方法為：確定金屬相與氣體相的交界面；遍歷金屬相與氣體相交界面的所有網格，提取所有網格的溫度值；在溫度等于沉積材料固相線溫度的網格中，即金屬基板與熔池的交界面網格，提取各網格的X軸坐標值，最大X軸坐標值與最小X軸坐標值的差值即為熔池長度。

進一步，本發明提供一種激光定向能量沉積熔池形貌尺寸預測與監控方法，還可以具有這樣的特征：其中，步驟三中，熔池寬度的監控方法為：確定金屬相與氣體相的交界面；遍歷金屬相與氣體相交界面的所有網格，提取所有網格的溫度值；在溫度等于沉積材料固相線溫度的網格中，即在金屬相與氣體相交界面中的金屬基板與熔池交界處的網格，提取各網格的Y軸坐標值，最大Y軸坐標值與最小Y軸坐標值的差值即為熔池寬度。