[發明專利]一種基于熔滴過渡的電弧增材成形預測建模方法

在審

• 申請號: 202010546286.9
• 申請日: 2020-06-16
• 公開（公告）號: CN111822828A
• 公開（公告）日: 2020-10-27
• 發明（設計）人: 魏艷紅;趙文勇;劉仁培;歐文敏;陳紀城;蔡佳思
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: B23K9/28
• 分類號: B23K9/28;B23K9/133;B23K9/32;B33Y10/00;B33Y70/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 張弛

本發明涉及一種電弧增材成形過程數值計算建模方法，所述方法將熔池流場計算與熔滴過渡過程進行耦合，通過考慮焊槍移動、采用動網格技術更新計算域、在熔池計算域和熔滴過渡計算域統一求解輸運方程，實現電弧增材制造成形形貌、溫度場及流場模擬預測，解決以往電弧增材熔覆層尺寸無法預知以及物理場演變不明確的問題。本發明通過以下步驟實現：步驟一：建立材料、幾何模型，定義計算域及邊界條件；步驟二：建立熔滴力學模型，確定熔滴過渡計算域輸運方程源項；步驟三：建立熔池熱力學模型，確定熔池計算域輸運方程源項；步驟四：加載熱力學源項，統一求解熔滴與熔池計算域輸運方程。

技術領域

本發明涉及一種電弧增材制造數值計算建模方法，尤其針對電弧增材制造熔覆層成形形貌及溫度場、流場的模擬預測。

背景技術

增材制造技術是一種基于CAD模型采用金屬或非金屬材料逐層累計直接成形三維構件的技術，是大批量制造模式向個性化定制模式轉變的引領技術。金屬增材制造技術以電弧、激光或電子束為熱源，通過熔化焊絲或者粉末實現構件的打印，整個過程無需模具，生產效率高及材料利用率高，成本較低。

成形精度和成形性能是金屬增材制造兩個核心問題。一般地，成形精度的控制首先需要根據大量的試驗建立增材工藝參數與單道熔覆層寬度和高度的回歸關系，其次還需通過單道熔覆層形貌建立其輪廓模型，校核確定熔覆層抬升量。整個過程不僅耗時較長，材料浪費嚴重，而且擬合尺寸參數往往與實際仍存在一定誤差。成形性能決定著構件服役性能，金屬增材制造隨著熔覆層高度的增加，熱累積效應顯著，必然對最終的微觀組織和力學性能產生重要的影響。通過實驗的手段控制層間冷卻時間以及添加輔助機械設備調控增材組織取得了一定成效，但是這種方法仍然停留在定性分析的基礎上，無法再現溫度場、流場以及微觀組織的演變歷程。

數值模擬技術是繼試驗、理論研究之后的第三種研究手段，是成分、組織、結構設計與制造一體化工程的關鍵橋梁。數值模擬技術通過離散、求解描述各物理場的控制方程，結合一定的邊界條件可以較準確模擬預測實際物理過程各物理現象，特別是再現溫度場、應力場、流場以及微觀組織等演變歷程。然而，目前電弧增材制造溫度場、應力場、流場計算大部分是基于事先畫好的熔覆層形貌進行仿真分析，當改變工藝參數時熔覆層形貌發生變化，又需重新建模，這無疑大大增加了仿真工作量。通過在質量守恒方程中添加質量源項進行熔覆層形貌直接預測可以改善上述這一缺陷，但該方法又忽略了熔滴過渡過程復雜的受力情況以及進入熔池后對熔池造成的沖擊，這在一定程度上限制了模擬預測的精度。

綜上所述，基于熔滴過渡，考慮熔滴的過渡狀態對熔池的作用，實現對金屬增材成形形貌、溫度場及流場的準確模擬對優化確定工藝參數，控制成形精度，調控微觀組織，提升力學性能以及物理機制研究具有重要意義。特別是在當下國內增材制造工業背景下，研究電弧增材物理機制，實現成形過程準確建模具有一定的迫切性。

發明內容

電弧增材制造過程熔滴過渡到基板形成的熔覆層尺寸形貌在增材試驗前無法預知，導致增材區域物理場建模分析無法直接進行。本發明開發了一種基于熔滴過渡的電弧增材制造有限體積建模方法，以期通過輸入工藝參數直接準確模擬熔覆層尺寸形貌以及溫度場和流場。

本發明為實現上述目的，所采用的技術方案包括如下步驟：

步驟一：建立材料、幾何模型，定義計算域及邊界條件：

(1.1)、定義電弧增材制造工藝參數、材料熱物理性能參數；

(1.2)、根據增材制造目標試件尺寸，建立幾何模型，并進行區域離散；

(1.3)、定義基板區域為金屬域，增材區域為空氣域，金屬域作為初始熔池計算域，空氣域作為初始熔滴過渡計算域，空氣域與金屬域界面為內部邊界；