激光立体成形TC4钛合金的热力场演化

激光立体成形能够实现高性能复杂零件的精确成形，但成形过程中的高温度梯度极易导致残余应力和变形，最终影响构件的几何精度和力学性能。通过搭建基板单边夹持原位热变形测量系统，探究了多道多层TC4钛合金成形件在激光立体成形过程中基板温度、变形的演化规律，分析了不同扫描策略对构件热应力场的影响。研究结果表明，构件的变形发展受其热历史驱使，扫描策略对成形件的热变形具有显著影响。     

钛合金激光直接成形过程中热力耦合场的数值模拟

为控制成形过程的热应力,根据有限元法中的生死单元技术,利用ANSYS参数化设计语言编程实现对多道多层激光金属沉积成形过程三维温度场和应力场的数值模拟,并对熔池与粉末、激光与粉末的相互作用进行能量补偿,更加准确地计算成形过程中温度场和应力场的动态变化,得到成形过程中模型温度场、温度梯度、热应力场和残余应力的分布规律.结果表明,成形件不同层上的各节点虽然被激活的时间不一样,但它们具有相似的温度变化规律;试样内的温度梯度主要沿z轴方向分布,熔池区的温度梯度非常大,但其他方向不明显;瞬态热应力集中在温度梯度变化较大的区域,这与热应力形成的机理是一致的;通过对成形件中各方向的残余应力分析,从温度梯度的角度总结各方向残余应力变化规律,侧面验证残余应力的形成机理.通过相同工艺参数下的试验验证,证明上述分析与实际情况是基本吻合的.     

激光金属沉积成形基板预热温度的控制

为了降低激光金属沉积成形过程中试样和基板间的温度梯度,减小和抑制成形过程的热应力,提高试样的成形质量,提出并设计了一种用于激光金属沉积成形的基板预热系统.其中基板预热温度的控制由智能比例微分积分控制器以及计算机串口温度采集反馈控制来完成.利用自行研制的激光金属沉积成形设备和基板预热系统进行了成形实验,实验结果表明该基板预热系统温度控制良好,可以满足实际应用的需要.     

基板预热对激光金属沉积成形过程热应力的影响

为降低沉积过程的热应力,抑制成形过程中裂缝的产生,研究基板预热对激光金属沉积成形(Laser metal deposition shaping, LMDS)过程热应力的影响具有非常重要的意义。根据有限元分析中的“单元生死”思想,利用APDL (ANSYS parametric design language)编程建立多道多层激光金属沉积成形过程的数值模拟模型,深入探讨基板未预热和预热到400 ℃时对成形过程热应力的影响。计算结果表明,基板预热到400 ℃可以显著降低成形过程中试样的热应力变化波动性,试样的Von Mises热应力最大值可降低10%左右,其中x方向热应力最大值可降低8.5%左右,z方向热应力最大值可降低8.1%左右。在与模拟过程相同的条件下,利用自行研制的激光金属沉积成形设备进行了成形试验,成形试验的结果与模拟结果基本吻合。     

不同基板预热温度对激光金属沉积成形过程热应力影响的研究

研究不同基板预热温度对激光金属沉积成形过程热应力的影响,对于降低成形过程的热应力,抑制成形过程裂缝的产生,减小成形过程试样和基板的翘曲变形具有非常重要的意义.根据有限元分析中的"单元生死"技术,编程建立了基板预热对激光金属沉积成形过程热应力影响的三维多道多层数值模拟模型,详细分析了基板未预热和分别预热到200℃、300℃、400℃、500℃ 、600℃时对沉积成形过程Von Mise'S热应力、X方向、Y方向以及Z方向热应力的影响.在与模拟过程相同的参数下,利用镍基合金粉末分别在基板未预热和分别预热到300℃ 、400 ℃、500℃、600℃ 时进行了成形试验,试验的结果跟数值模拟结果吻合较好.     

扫描方式对激光金属沉积成形过程热应力的影响

为改善金属试样的成形质量,降低沉积过程的热应力,研究不同扫描方式下激光金属沉积成形过程中热应力的动态分布规律具有非常重要的意义。根据有限元中的“单元生死”技术,通过ANSYS参数化设计语言 (ANSYS parametric design language, APDL) 编程研究了沿长边平行往复、沿短边平行往复以及层间正交变向平行往复等填充扫描方式对整个成形过程热应力的影响,详细探讨了各种扫描方式下Von Mises热应力、x方向热应力、y方向热应力以及z方向热应力的动态分布规律,并分析热应力产生和分布的原因。在与模拟过程相同的条件下,实际成形试验所得结果与模拟结果吻合较好。     

TC4钛合金激光熔覆熔池凝固传热研究

基于有限元法对单道单层激光熔池的凝固过程进行数值模拟,得到熔覆过程中激光熔池的温度场分布及温度梯度分布等数据信息,结合测温实验,分析了激光熔池在凝固过程中的热行为,阐述了激光工艺参数对熔池凝固传热过程的影响。结果表明:在激光单道熔覆过程中,熔池前端热量集中、熔深较大,尾部热量传递迅速、熔深较小。温度梯度在熔池前端最大值变化范围是3.04～3.89×10~6℃/m~(-1)。激光功率对熔池热传递的影响效应大于扫描速度影响效应的规律。模拟和实验结果吻合。     

选择性激光熔化成形温度场模拟与分析

在316L不锈钢的选择性激光熔化(SLM)三维成形过程模拟中,针对目前普遍采用单层热源加载进行模拟的局限性,采用ABAQUS软件建立了一个三维多层有限元模型来解决此问题。主要研究了在成形过程中,激光功率和扫描速率对粉床热行为的影响,在软件子程序中考虑了材料的粉末-液态-实体状态变化、相变潜热的影响,同时实现多层铺粉以及多层热源的加载。模拟结果表明:多层扫描中,随着扫描时间的增加,单层熔池的温度越来越高,熔池三维尺寸也逐渐增加,第二层比第一层粉床中心位置处的温度增加0.04%,熔池的宽和高分别增加1.33%、29%,第三层比第二层粉床中心位置处的温度增加0.02%,熔池宽和高分别增加1.35%、25.8%;成形过程中,熔池前端的温度梯度较大,随着线性能量密度(LED)的增加,熔池的温度和三维尺寸也逐渐增加。功率比扫描速率对粉床热行为的影响大,能量密度的范围在1.5~2.5 J/cm时,成形件的质量较好。     

激光不同的波形对金属直接成形精度的影响

针对激光金属直接成形工艺中的小特征尺寸制造问题,采用数值模拟和工艺实验相结合的方法,研究了激光波形对激光金属直接成形精度的影响。研究结果表明,与连续波相比,方波和正弦波加载时具有较快的加热和冷却速度,尤其是方波,能使熔池中心具有很大的温度梯度,在平均输出功率相同的条件下,方波和正弦波能够使熔池中心达到更高的温度。同样的激光熔覆,利用方波只需要较小的平均输出功率,不但减小了热量输入,同时也减小了激光加工过程中的热影响区域。薄壁零件成形优化过程中,利用方波加载能获得最小特征尺寸的薄壁,达到提高零件成形精度的目的。     

磨损轴面激光熔覆过程的数值模拟及试验

为了避免激光熔覆过程产生微裂纹缺陷,对磨损轴面激光熔覆过程的热力耦合问题进行研究。根据磨损轴面激光熔覆试验建立其非线性瞬态分析数学模型,并引入有序网格离散算法进行轴面激光熔覆有限元建模,通过ANSYS参数化设计语言(APDL)和单元生死法编程实现金属粉末圆周堆积的瞬态热-力循环及其耦合问题求解,获得了熔覆过程的三维温度和热应力分布规律。结果表明,熔池的温度梯度较大且光斑中心靠后位置的温度最高(2035.99℃),各节点瞬时温度衰变规律具有相似性和时间滞后性;热应力与温度梯度对应,冷却后的应力(约279 MPa)集中于热影响区(HAZ)且靠近覆层材料边沿侧,这与试验获得的激光熔覆残余应力基本吻合,可用于优化损伤轴面激光熔覆工艺及质量。     

复杂薄壁零件激光快速成形过程的热力耦合场数值模拟

研究直接激光成形过程中叶片温度场与热应力场的关系,改善成形质量.以空心叶片为例,根据激光测量仪测得的散点图,用圆弧逼近得到叶片的近似轮廓.利用有限元软件MSC.Marc建立Ti-6Al-4V(TC4)圆弧逼近的空心叶片的有限元模型,并对激光直接成形过程进行数值模拟,得到叶片在成形过程以及冷却过程中的温度场和热应力场.随着成形的进行,由于热量的积累,成形叶片的温度不断升高,已成形部位的热应力随着成形过程的热循环不断变化,小曲率半径处的热应力大,且热循环对热应力变化影响较小;在直接激光成形结束后,整体温度开始下降,各处的热应力都逐渐升高.通过分析温度场和热应力场的分布情况,得到不同曲率半径对温度场和热应力场的影响规律.基于模拟结果,总结的规律和试验经验,提出改善成形质量的有效方法.并利用激光直接成形技术,加工出模拟分析模型的实物零件,验证模拟和结论的正确性.     

激光熔覆IN718合金温度场和应力场数值模拟*

为研究激光熔覆涂层温度场的演变和残余应力的分布规律,在316L不锈钢基板上激光熔覆Inconel718 (IN718) 合金,研究工艺参数对熔覆涂层宏观形貌的影响;基于实验所得工艺参数,利用Simufact Welding有限元软件建立热力耦合模型,通过数值模拟对熔覆过程中的温度场和应力场分布进行分析。结果表明：研究的工艺参数中,激光功率对涂层宽度的影响呈正相关性,送粉量对涂层高度呈较为明显的正相关性,而激光扫描速度对涂层高度呈较为明显的负相关性;熔池前端温度梯度最大,熔池尾部温度梯度较小;熔池峰值温度随着熔覆扫描的进行稳定于2 700 ℃左右;涂层最大残余应力为沿扫描方向上的拉应力,基板残余应力在涂层两侧呈对称分布,且最大残余应力为沿扫描方向的拉应力;残余拉应力是造成激光熔覆过程中基板“翘曲”变形的主要原因;基板与涂层热膨胀系数的差异是影响涂层与基板结合强度的另一原因。研究结果为后续基于实际工业中多层多道激光熔覆的研究奠定基础。     

激光增材制造仿真过程分析

针对激光增材制造过程,采用仿真的方式获取加工过程中各参量随时间变化的情况。建立了高斯热源的模型,主要分析了激光扫描过程中材料的温度、不同方向的温度梯度、不同方向的变形量、正应力和屈服应力,最后分析了冷却后的温度、变形和应力分布情况。结果表明:薄壁框由于各方向与空气接触面积大小不同,冷却的温度梯度差别大;各方向刚度不同,会导致变形量不同,从而对应力的分布造成影响;激光对已成形部分的影响主要位于前几个扫描周期,影响程度随熔池与该节点的距离增大而快速减小;最大单向变形约为2. 5 mm,最大残余应力约为560 MPa。     

基于熔池动态特征的金属激光熔化沉积形状精度演化行为研究

针对金属激光熔化沉积成形质量影响机制与过程特征不明确所导致的质量可靠性与效果重复性较低、自适应控制困难等问题,采用同轴实时监测的方法,对不同金属激光熔化沉积工艺条件下的熔池动态特征进行监测,揭示不同熔池动态特征对形状精度演化行为的影响机制。以典型沉积工艺为研究对象,单道单层沉积中熔池几何轮廓和边缘熔融过渡区域面积与沉积层表面质量和宽度稳定性直接相关;单道多层堆积中的熔池几何轮廓与尾部特征对薄壁件壁厚变化有重要影响;多道单层搭接中熔池宽度的累加与粉末利用率的变化导致了传统搭接模型最优搭接率下表面搭接质量的下降;单道多层偏移堆积中的熔池塌陷与沉积层两端熔池面积可直接反应极限偏移与两端倾斜的演化过程。结果表明,通过熔池动态特征可以揭示金属激光熔化沉积中关键形状精度的演化行为,并建立新的形状精度模型,为后续激光熔化沉积工艺路径设计及实时反馈优化提供重要支持。     

电弧增材成形单道两层熔积过程中的晶粒生长模拟

晶粒生长的数值模拟是研究复杂微观组织演变的重要手段,现有的研究较少涉及电弧增材成形中晶粒生长的数值模拟。采用有限元和元胞自动机方法建立了碳钢电弧增材成形过程的宏观传热和微观组织演变的耦合模型,模拟单道第两层熔积的熔池凝固过程中晶粒动态演变过程。模拟结果显示,单道第一层熔积熔池凝固过程中晶粒从熔合线位置形核后向熔池中心生长,在温度梯度方向与枝晶臂优先生长方向的共同作用下,枝晶呈现竞争生长,晶粒优先生长方向与温度梯度方向一致的晶粒生长更快,部分晶粒生长被抑制,最终形成交错、完全粗大的柱状晶组织,枝晶之间出现溶质富集的现象;单道第二层熔积的晶粒在上一层粗大柱状晶基础上形核并生长,随后的生长过程与第一层类似,第二层熔积时熔池温度梯度方向的改变导致晶粒的主要生长方向与第一层之间有一定夹角。与模拟相同成形工艺的成形试样金相照片验证了模拟结果。研究结果可为电弧增材成形微观组织控制以及后续工艺规划提供依据和参考。     

选择性激光熔化成形瞬态温度场数值模拟

为揭示选择性激光熔化成形的机理,初步建立了其熔化过程的传热理论模型;考虑温度变化对材料热物性参数的影响,利用ANSYS参数化设计语言(APDL)建立了有限元数值模型并进行了温度场求解.计算结果显示:熔化成形过程中温度场等值线呈椭圆状,已凝固部分在光斑再次扫描至邻近部位和上层粉末时由于热传导作用而发生重熔;熔池的尺寸大小随吸收能量的增加而逐渐增大,由初始宽约0.2mm增至0.25mm左右;温度场分布均匀、温度梯度小可减小零件的翘曲变形;基板温度随时间的推移而逐渐升高.     

圆振荡激光束提高激光弯曲成形效率

激光弯曲成形技术常用的激光类型是点激光,在温度梯度机理的作用下单次成形角度有上限,在3°左右。为了增大点激光单次成形角度,提高成形效率,本文以不锈钢304板为对象,通过试验对比探索了将圆振荡模式应用于激光弯曲成形中以提高弯曲角方法的可行性;并且借助于三维视觉传感器测量板件在圆振荡激光束弯曲成形过程中的动态响应,从余热效应、吸收率等角度分析其弯曲成形机理。对比试验结果显示,在激光能量密度较高的情况下,圆振荡模式确实可以明显提高工件的弯曲角,增长率在60%左右。同时,三维视觉传感器的测量结果显示出了板件在成形过程中的复杂形变与角度变化过程：板件在长度与宽度方向上均产生了塑性变形,长宽形变比约为10∶1;单次扫描成形板件弯曲角增长过程呈现不同的增长曲线;多次扫描成形弯曲角分布不均衡。此外,板件厚度也逐渐增加,热影响区微观晶粒得到细化。为进一步理解圆振荡激光束弯曲成形过程与机理提供了试验支撑。     

基于温度分区的激光沉积成形扫描路径生成方法

现有金属激光沉积成形工件是根据几何模型按照设定扫描路径层层叠加而成,不可避免造成局部热量累积,导致成形工件内部温度梯度大,产生局部应力集中,易引起工件变形开裂。对成形过程温度进行实时检测并实现动态扫描路径规划是解决工件变形开裂的根本途径。在研究不同基体温度对熔宽、熔高影响规律基础上,提出基于层面温度分区的激光沉积成形扫描路径生成方法。采用红外热像仪对沉积层面温度进行实时采集,提取不同温度分区轮廓;提出温度分区轮廓规则化方法,消除局部轮廓尖角,避免过熔覆;改进Weiler-Atherton算法,快速实现分层轮廓与温度分区轮廓的求交运算;针对不同温度分区采用适应性间距生成扫描路径,实现激光沉积成形动态扫描路径规划。试验结果表明：该扫描路径可有效提高成形工件质量。     

基于显微照片的增层模型涂层温度场模拟

熔射成形中涂层的使用性能与其残余热应力密切相关,而残余热应力则是由于沉积过程中温度场分布不均匀导致的,因此,研究涂层温度场是分析其残余热应力的基础。针对现有涂层沉积温度场模拟普遍采用的增层模型不能考虑涂层孔隙的缺陷,提出一种基于显微照片的含孔隙涂层生长增层模型,并使用该模型对其温度场进行模拟。计算结果表明,孔隙不仅对沉积过程中的涂层温度场具有重要影响,而且对基体温度场也有影响。涂层中靠近孔隙的位置其温度下降比远离孔隙位置更慢,且沉积初期这种差异更明显。含孔隙涂层温度场的模拟为含孔隙涂层残余热应力的研究及涂层起翘、开裂和剥落等失效机理的分析提供了基础。     

基于激光点阵的TIG焊熔池自由表面三维形貌测量方法

测量弧焊熔池自由表面三维形貌对研究电弧与熔池耦合作用机理,控制焊缝成形及全熔透等有着重要意义。针对现有的三维测量方法难以应用于强弧光、熔池表面镜面反射情况,提出一种点阵激光测量熔池自由表面三维形貌的新方法。通过分析建立熔池自由表面反射成像激光点与投射激光点之间的映射模型,提出基于投射激光点更新的熔池自由表面三维恢复算法。重建连续钨级惰性气体保护焊(Tungsten inert gas arc welding,TIG)熔池自由表面三维形貌,提取其宽度和高度尺寸,并与实际测量结果进行对比。结果表明,点阵激光测量法不仅有效避免弧光干扰实现了熔池自由表面的动态测量,而且重建的熔池自由表面三维形貌几何尺寸变化与实测结果吻合较好,宽度和高度误差分别为1.73%,2.32%,为更好地研究TIG焊熔池自由表面行为演化规律提供一种新方法。