[發明專利]一種用于模擬環形激光光內送粉的熱源模型

在審

• 申請號: 202210942652.1
• 申請日: 2022-08-05
• 公開（公告）號: CN115169199A
• 公開（公告）日: 2022-10-11
• 發明（設計）人: 徐煥然;尹志超
• 申請（專利權）人: 揚州先臨三維云打印技術有限公司
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F17/18;G06F111/10;G06F119/08
• 代理公司: 揚州潤中專利代理事務所(普通合伙) 32315
• 代理人: 謝東

本發明公開了一種用于模擬環形激光光內送粉的熱源模型，包括環形激光體熱源和環形激光面熱源，可根據激光出光口半徑、焦距、距離基體的高度、光斑寬度等自行調節熱源模型參數，能準確模擬不同離焦量下環形激光的熱量分布，為準確模擬環形激光光內送粉熱量傳遞、溫度場、應力場、熔池流動行為提供有力參考依據。本發明可廣泛應用于環形激光光內送粉的有限元模擬領域。

技術領域

本發明屬于激光熔覆數字模擬術領域，尤其涉及一種環形激光光內送粉的熱源模型，具體涉及用于模擬環形激光光內送粉的中空環狀錐形體/面熱源模型。

背景技術

激光熔覆是利用不同送料方式輸送粉末顆粒，經高能激光束輻照粉末和基體使其熔化，在熔覆基體表面快速凝固形成冶金結合的熔覆層，可打印金屬零件、改善基體表面性能。具有稀釋率小、組織致密、結合性好、效率高、速度快等特點，在航空航天、汽車、化工等領域應用廣泛。目前應用較多的是多路粉路管道環狀包圍激光束結構，粉斑匯聚精度低，粉末利用率低，熔覆件質量較差。而環形激光光內送粉通過光學變換使得激光束變為中空環狀錐形光，送粉管豎直安裝于中空光束間，使得粉末路徑與激光束完全同軸，熔覆質量好，粉末利用率高。

在熔覆過程中，工藝參數的選擇對熔覆質量的控制產生決定性作用。實際生產中，工藝參數的獲取，常采用試錯法或憑操作人員經驗，浪費人力、物力，且缺乏科學性。近年來，隨著計算機技術和數值方法的發展，數值模擬技術結合實驗手段已廣泛應用與激光熔覆理論研究中，數值模擬具有快速、有效、低成本的特點，可對熔覆過程溫度場、流場、應力場分布、熔池冶金和凝固行為等進行分析，為實際加工提供參考，其中熱源的加載是非常重要的環節，目前常用的熱源有高斯面熱源、雙橢球熱源、圓錐體熱源等，而用于環形激光的數值模擬的熱源目前尚未見到。

發明內容

本發明的目的在于針對環形激光光內送粉的數值模擬，提供一種用于模擬環形激光的熱源模型，包含出光口半徑、焦距、激光寬度、激光頭到熔覆表面距離、速度等參數，可有效表達中空環狀錐形光的熱流密度分布，用于環形激光光內送粉的數值模擬，研究傳熱、熔化凝固等現象以及各種參數對熔覆的影響關系。本發明具有推導原理簡單、操作方便、適應性強等優點。

一種用于模擬環形激光光內送粉的熱源模型，其特征在于：在建立傳統圓形激光束光外送粉和環形激光光內送粉的有限元模擬的基礎上，基于高斯面熱源、雙橢球熱源、圓錐體熱源的推導機理，分析圓形激光和環形激光的能量分布，進而得到一種用于模擬環形激光光內送粉的熱源模型，并用此模型進行了環形激光光內送粉的數值模擬，具體包括如下步驟：

步驟一：基于容積體熱源及環形激光中空環狀錐形的空間分布和圓錐體熱源，采用面積乘以光斑厚度推導中空環狀錐形的體積V：

根據離焦量不同可分為兩種情況，環形激光光斑焦點在熔覆表面上和環形激光光斑焦點在熔覆表面下方，熔覆表面上方中空環狀錐形光斑的面積S有以下表達：

S＝πr·l₁±πr'·l₂

其中f環形光焦距，h為出光口到熔覆表面高度，r為環形激光出光口等效半徑，r'為環形激光照射到熔覆表面半徑；

帶入得：

光斑厚度2δ有：

其中R為光斑水平寬度的一半；

帶入有體積V：

步驟二：獲得隨高度z變化的環形半徑r_c以及z高度上的面熱源分布函數E：