激光修复再制造温度场的有限元分析

班级：机械二班姓名：张永学号：070104268导师：肖猛课题研究背景近年来，随着激光技术的日益发展成熟，激光修复技术已经发展为一项专业化、高效化的修复技术。但是，由于激光堆积成型过程中存在局部温度高，金属材料受热瞬态不均匀等缺点。从而引发球化效应，造成材料内部间隙，使材料成型件的力学性能下降。同时，由于成型件整体受热不均衡，被修复件很容易发生翘曲变形。严重影响成型件质量。因此，对激光修复成型工艺过程中的温度场研究就显得很有必要，本课题正是基于这样的背景下展开研究的。研究规划1234激光修复温度场有限元模拟假设规划及材料定义激光修复温度场有限元分析理论及边界条件激光修复温度场有限元模拟建模过程及加载计算激光修复温度场有限元模拟结果激光修复温度场有限元模拟假设规划及材料定义激光修复设备模型假设为了获得精确的模拟结果，对有限元模型进行一些合理假设:（1）经典的热传导理论适用于激光与金属粉末的相互作用；（2）材料各项同性且粉末颗粒为规则球形；（3）周围气体物质对激光辐照能量传输不产生影响；（4）整个研究对象表面为平面；（5）由于激光加热时间很短，忽略激光熔池对热传导的影响；（6）忽略激光诱导的冲击波对粉末的冲击效应；模型规划定义材料1.模拟与实际相一致2.合理规划模型大小及计算精度3.模拟结果可以局部反应实际为确保模拟结果的准确性，在分析之前必须定义材料随温度变化的热物性参数:热传导率、比热容、密度、辐射系数等。本模拟中涉及到烧结层和基体层两种材料，在输入材料属性时要定义好材料属性。表2.1、2.2分别为Ni基合金和45#钢的热物性参数激光修复温度场有限元模拟假设规划及材料定义T/K30052O631700830960110013731540172617301800K/W•91.86965.96566.86973.579.282.287.487.487.4C/J•4315065245315365355345355355355355350.120.300.390.40.520.60.680.810.860.920.920.93Density/Kg•8902LatentheatOfFusion/J•297000Density/Kg•7840表2.1Ni基合金热物性参数表2.245#钢热物性参数T/K29337357377397310281073117315401273K/W•91.869.465.965.566.869.873.579.282.287.4C/J•431506524531536535534535535535Density/Kg•7840LatentheatOfFusion/J•246173Meltingpointtemperature/℃1493-1530激光修复温度场有限元模拟假设规划及材料定义•有限元分析理论温度场分析属于典型的非线性瞬态热传导问题，其热传导行为可以使用基于热传导定律和能量守恒的经典三维热传导方程来描述。激光修复温度场有限元模拟理论分析及边界条件•有限元分析边界条件边界条件直接决定了模拟结果，在本次模拟中，综合考虑了有限元温度场热传导的空间、时间域问题，同时结合高斯移动激光光斑，比热容，热传导系数等一系列边界条件进行加载计算。激光修复温度场有限元模拟加载建模：划分网格：激光修复温度场有限元模拟加载定义材料属性激光修复温度场有限元模拟加载加载：激光修复温度场有限元模拟结果分析一：条件：激光功率1000w，扫描速率2000mm/min，光斑直径4mm低速1000w烧结深度分层温度分布表层温度分布0.02s时温度分布0.04s时温度分布0.08s时温度分布激光修复温度场有限元模拟结果分析二：条件：激光功率1000w扫描速率1200mm/min光斑直径4mm低速1000w烧结深度分层温度分布表层温度分布热流率分布激光修复温度场有限元模拟结果分析三：条件：激光功率1000w扫描速率800mm/min光斑直径4mm低速1000w烧结深度分层温度分布表层温度分布激光修复温度场有限元模拟结果分析四：条件：激光功率1500w扫描速率1200mm/min光斑直径4mm烧结深度分层温度分布表层温度分布激光修复温度场有限元模拟结果分析五：条件：激光功率600w扫描速率1200mm/min光斑直径4mm烧结深度分层温度分布表层温度分布激光移入移出过程中强度中的功率变化简化图激光修复温度场有限元模拟结果不同时刻峰值温度变化图分布(a)0.025s(b)0.05s(c)0.125s(d)0.2s(e)0.225s(f)0.25s激光修复温度场有限元模拟结果温度分布与烧结深度的关系1200mm/min,1000w烧结深度图1200mm/min,1000w分层温度分布图激光扫描速度与烧结深度的关系扫描速度800mm/min时的烧结深度图扫描速度2000mm/min时的烧结深度图扫描速度800mm/min时的温度分布图扫描速度2000mm/min时的温度分布图激光修复温度场有限元模拟结果激光扫描功率对烧结的影响激光功率600W时的烧结深度图激光功率1500W时的烧结深度图激光功率1500W时的温度分布图激光功率600W时的温度分布图激光修复温度场有限元模拟结果激光不同光斑直径对烧结的影响光斑直径9mm时的最值温度分布光斑直径4mm时的最值温度分布激光功率P/W扫描速度/mm/min光斑直径/mm铺粉厚度h/mm100012000.40.15最优工艺参数结论激光修复技术作为选择性激光烧结技术的一个重要分支，凭借其优势已成为目前快速成形家族中发展最快、产业化进程最迅速的先进制造技术之一。尤其它以直接成形金属零件作为最终目标引起了学术界的高度关注，日益成为广大科技工作者研究的热点。并已经在激光熔覆温度场的三维有限元模拟方面具了有一定的创新性，本文在研究探索过程中主要做了以下工作:(l)深入分析了金属粉末激光烧结的成形机制，并在此基础上总结出材料特性和工艺参数对成形件质量的影响及对策。(2)基于热传导理论，综合考虑热辐射、对流以及材料的高度非线性，以ANSYS/Workbench为平台，建立了与实际激光熔覆工艺相一致的三维有限元模型，在此基础上进行了单层和多层烧结模拟，深入分析了在激光烧结过程中激光熔池的加热和冷却规律和各烧结道之间以及各烧结层之间的相互影响规律