表面张力对选区激光熔化熔池形貌的影响

【作者】 刘石柏； 刘继常； 陈阳生；

【机构】 湖南大学先进成形与表面工程研究所；

【摘要】 在选区激光熔化过程中,表面张力是熔池流体运动的主要驱动力,它对熔池形貌形成及演变起着重要的作用。本文根据光滑粒子流体动力学(SPH)法具有携带材料性质,如质量,密度等。且SPH粒子的运动受到相关控制方程的约束,同时计算过程中无需单元网格且计算精度高等特点。首先采用该方法建立了熔池表面张力的SPH数学模型,并运用该模型对某一选区激光熔化过程进行求解,分析了在不同激光功率和扫描速度等工艺参数下,表面张力对熔池形貌的影响。模拟结果表明:熔池流体在表面张力作用下,二维熔池形貌由初始的直线分布逐渐转变为曲线分布,且沿着激光扫描方向,熔池形貌还出现波峰与波谷,并保持其他条件不变时,增大激光功率和减少扫描速度,熔池形貌的变形则越剧烈,出现的波峰与波谷也越明显;同时,还发现在选区激光熔化过程中,熔池流体在表面张力的作用下,引起熔池速度场方向不断的发生周期性改变,且变化周期接近激光束移动一个与激光直径相等的位移所用的时间;还发现激光功率对熔池形貌的影响比扫描速度的影响略大一些。其次,发现熔池宽度和深度还都受到激光功率和扫描速度的影响。当扫描速度保持不变时,它们初始都随激光功率和扫描时间的增加而增大,但随着扫描时间继续增加时,它们随后逐渐略有减少,最后当熔池系统达到动态平衡时,它们又都基本保持不变。但当激光功率保持不变时,熔池宽度先随扫描速度的增大而增加,然后减小,而熔池深度则基本随着扫描速度的增加一直减小。最后,通过将数值模拟所获得的结果与试验结果进行对比,发现两者熔池形貌的变化趋势基本接近,即两者熔池形貌都近似正弦曲线分布,且激光功率越大或扫描速度越小,熔池形貌的波峰与波谷变化越明显,且它们出现次数的也越频繁。但仔细对比两者发现它们还是存在一些差异,即在试验过程中,发现熔池形貌除了存在较大的波峰与波谷外,而且还出现细小的波峰与波谷,同时试验中得到的熔池形貌的波峰与波谷小于数值模拟所获得的结果。更多还原