[发明专利]一种选择性激光熔化过程中温度分布及翘曲变形预测方法

说明书

本发明公开了一种选择性激光熔化过程中温度分布及翘曲变形预测方法，该方法主要由热分析和力学分析组成。热分析包括以下步骤：Step1，确定加工参数并进行工艺规划；Step2，获取金属材料热相关属性并依据SLM构件尺寸建立模型；Step3，加载温度边界条件；Step4，瞬态分析得SLM构件的温度场。力学分析包括以下步骤：Step5，根据材料力学属性修改模型；Step6，添加边界条件并以Step4分析得到的温度场作为载荷，分析得到构件的应力场及变形。本发明通过热固耦合，将热分析与力学分析结合，建立温度及变形预测系统，为优化工艺参数减小SLM构件翘曲变形提供技术支持。

技术领域

本发明涉及先进制造技术领域，更具体地说，涉及一种选择性激光熔化过程中温度分布及翘曲变形预测方法。

背景技术

SLM技术(Selective laser melting)是利用金属粉末在激光束的热作用下完全熔化、经冷却凝固而成型的一种增材制造技术。其工作原理是水平控制激光按照一定运动轨迹作用于表层金属粉末，一层扫描结束后，基体下降一个层厚，铺粉系统将金属粉末均匀地铺在已加工的凝固层之上，如此重复上述加工过程，直至得到需要的金属构件。这种独特的特性使其可以加工复杂的零件，而不需要昂贵的成型工具以及复杂的工序，使激光增材制造技术成为工程及制造学科研究热点，该技术已被美国国家科学基金会、中国国家自然科学基金委员会认为是21世纪制造技术的一项重大创新。

但是由于SLM工艺包括了移动热源及金属熔化与凝固，导致各区域加热与冷却速度不同，从而在构件中产生了残余应力并造成构件发生变形甚至开裂，使构件失效。为了减少构件失效，一般需要打印试块进行试错试验，得到较为合理的工艺参数。然而此过程受资金和时间成本的限制，不能预测整个构件的翘曲变形。同时由于实验手段的限制，不能精确测量构件在加热过程中温度的变化，用于研究熔池成型过程以及温度梯度。基于流固耦合开发的SLM构件仿真系统可以很好地揭示加工过程中温度变化，预测构件翘曲变形，为优化工艺参数减少构件缺陷提供技术支持。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种选择性激光熔化过程中温度分布及翘曲变形预测方法，用于对构件制造过程中金属材料相态变化、熔池成型过程、温度分布、热应力与翘曲变形进行分析，并最终预测构件加工过程中的温度分布及最终翘曲变形分布。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：设计一种选择性激光熔化过程中温度分布及翘曲变形预测方法，该方法包括以下步骤；

Step1，选取SLM加工工艺参数，在流体分析软件中采用自定义函数的方法对工艺参数进行编译；

Step2，通过对金属粉末进行激光渗透照射实验，分析得出金属粉末层激光吸收率及激光渗透系数，同时区别金属粉末与固/液态材料属性，并依据SLM构件尺寸建立可逐层激活单元的仿真模型；

Step3，在构件基体底部加载固定环境温度，在与金属粉末接触各表面设置绝缘，在加热面设置表面张力，同时根据加热面的相态，决定对其加载体热源或面热源；

Step4，在确定时间步长和步数基础上，通过瞬态热分析得到SLM构件的温度场；

Step5，根据材料力学属性修改SLM构件力学模型并利用生死单元法控制SLM单元力学属性；

Step6，对SLM构件力学模型底部添加位移约束，并在力学分析模型上加载步骤Step4所得温度场，利用有限元分析方法得到构件的应力场及变形。

进一步地，所述步骤Step1中，所述工艺参数具体包括：激光种类、激光热源分布方式、激光功率、扫描速度、激光有效作用半径、环境温度、分层层厚、扫描路径、扫描间距及各层扫描方向夹角。其中，激光热源分布方式主要表现在水平方向呈高斯分布，在有效半径内强度可达95％以上。