变占空比中空激光光内送粉熔覆熔池温度场研究

论文摘要

本文采用“光束中空,粉管居中,光内送粉”设计原理,基于自主研发的光内送粉成形工艺与装置,运用有限元等手段,对变占空比(环形光内外径之比)中空激光光内送粉熔覆熔池温度场进行了研究。对光内送粉和光外送粉系统中的粉末与激光的耦合机理进行了分析和比较,对金属粉末的利用率进行了简单建模。实验证明,光内同轴送粉成形过程中,粉流稳定易控,光粉耦合性好。在现有条件下测试出金属粉末的有效利用率比传统光外送粉工艺中的粉末利用率提高2~3倍。运用?ANSYS有限元分析软件,针对光内送粉激光快速成形工艺,建立了温度场的瞬态有限元模型,采用有限元单元生死技术模拟了熔覆层的沉积生长过程。模拟分析与实验结果对比表明:所得的激光熔覆温度场模拟结果与实验结果较吻合,从而证明了本文数值模拟的可行性,为光内送粉激光熔覆快速成形新工艺及其送粉系统的设计提供理论支持。利用?APDL?参数化设计语言实现热源移动,利用焓处理相变潜热的影响,对?Fe313合金成形件的温度场进行了数值模拟,系统分析了环形光作用下熔覆熔池温度场随时间变化的规律。结果表明:由于热积累效应,熔池内的温度会随着时间和熔覆层高度的增加越来越高。改变占空比,对比温度场分布云图,可以得出:占空比?K?的变化影响熔池的形状、位置和能量密度的分布,进而影响成形件的质量。结果表明:K?值为[0.35,?0.6]时,熔池的形状呈“马鞍或月牙”形;熔池位置稍稍偏后于激光束中心且偏向两侧;熔池能量密度的分布随?K?的增大趋于均匀。在?P=3000w,光斑直径?4mm,扫描速度?V=5mm/s?等工艺参数下,分别选?K?为?0、0.35、0.6?时进行单层和多层熔覆实验,结果表明:各熔池形貌与对应的数值模拟温度场云图比较一致;K?为?0.35?的环形光所得的熔覆层微观组织较佳,熔覆层与基体的冶金结合效果较好。本文激光熔覆熔池温度场的有限元模拟与熔覆实验取得了较为一致的结果。模拟研究为保证激光熔覆层质量且获得形貌质量高、组织致密的薄壁成形件、提供相关优化的工艺参数取得了明显成效。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 基于激光熔覆的快速成形制造（LCRM）技术
• 1.2.1 LCRM 技术的原理与特点
• 1.2.2 LCRM 技术中的关键技术
• 1.3 激光熔覆熔池温度场研究现状
• 1.3.1 国外的研究状况
• 1.3.2 国内的研究状况
• 1.4 本文研究的意义和主要内容
• 1.4.1 研究的意义
• 1.4.2 研究的主要内容
• 1.5 本章小结
• 第二章 环形中空激光能量分布与熔池的理论研究
• 2.1 引言
• 2.2 环形中空激光光内同轴送粉光粉几何耦合
• 2.2.1 环形中空激光光内同轴送粉光粉的耦合过程
• 2.2.2 光内同轴送粉粉末有效利用率
• 2.3 环形中空激光光斑内能量分布理论研究
• 2.3.1 激光模式选择
• 2.3.2 环形中空激光束的能量分布模型
• 2.3.3 占空比变化对能量密度分布的影响
• 2.4 环形中空激光内送粉激光熔池的理论研究
• 2.4.1 环形中空激光熔池三维流场
• 2.4.2 环形中空激光下熔覆层表面形貌
• 2.5 本章小结
• 第三章 光内送粉激光熔覆熔池温度场数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 激光熔覆传热学基本理论
• 3.2.1 熔覆过程热传导方程
• 3.2.2 边界条件
• 3.2.3 初始条件
• 3.3 光内送粉熔覆层温度场有限元模型的建立
• 3.3.1 物理模型与网格划分
• 3.3.2 单元选择与材料物性参数
• 3.3.3 热边界条件的确定
• 3.3.4 相变潜热的处理
• 3.4 光内送粉熔覆层温度场的求解
• 3.4.1 热流密度的数学模型
• 3.4.2 环形中空激光能量在熔池表面的分布
• 3.4.3 循环求解温度场
• 3.5 本章小结
• 第四章 环形中空激光光内送粉熔覆熔池温度场计算结果分析
• 4.1 引言
• 4.2 中空激光快速成形过程温度场分布
• 4.2.1 单层熔覆
• 4.2.2 多层熔覆
• 4.3 变占空比中空激光熔池温度场分布
• 4.3.1 占空比 K=0 时激光束熔池温度场分布
• 4.3.2 占空比 K=0.35 时激光束熔池温度场分布
• 4.3.3 占空比 K=0.6 时激光束熔池温度场分布
• 4.4 占空比的变化对温度场分布的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 环形中空激光光内送粉快速成形实验
• 5.1 引言
• 5.2 实验条件
• 5.2.1 光内送粉激光熔覆快速成形系统
• 5.2.2 送粉方式选择
• 5.2.3 送粉喷头的设计
• 5.2.4 温度测量系统
• 5.3 实验设计
• 5.3.1 实验材料
• 5.3.2 环形中空激光单层、多层熔覆实验
• 5.3.3 不同占空比环形光激光熔覆实验
• 5.4 实验结果与数值模拟结果比较
• 5.4.1 单道单层激光熔覆结果分析
• 5.4.2 单道多层激光熔覆结果分析
• 5.4.3 不同占空比环形中空激光熔覆层微观组织
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文
• 附录
• 附录一 熔覆层温度场仿真计算程序
• 致谢