[发明专利]一种激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法

说明书

本发明公开了一种激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法，步骤一、建立计算流体力学模型，进行网格的划分，定义材料热物理属性，进行模型初始化；步骤二、建立控制方程，并依据方程模拟出熔池；步骤三、根据各个网格的体积分数变量和温度判断各交界面和熔池的实时形貌位置，计算出熔池的尺寸。本发明建立了一种基于激光定向能量沉积的热流传输模型，可用于实时的监控熔池尺寸的变化，解决了激光定向能量传输过程中熔池尺寸难以监控的问题，对于激光定向能量沉积的工程应用有很好的借鉴意义。

技术领域

本发明属于激光增材制造和快速成形技术领域，涉及一种监控方法，尤其涉及一种激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法。

背景技术

伴随着科学技术的不断进步，增材制造技术也得到了飞速的发展。激光定向能量沉积技术是基于快速原型制造而发展起来的一种新型的增材制造技术，主要是利用一些特定的软件对零件的三维数据模型进行切片以及分层，然后通过能量比较高的激光束对同步送出的金属粉末进行逐道逐层的熔化，通过这种逐层的熔化凝固的过程制造出合适的三维实体零件。

激光定向能量沉积是伴随着多种能量变化的多物理场、多尺度的过程，当激光将同步送进的粉末进行熔化的过程中会形成熔池，而在熔池中由于表面张力梯度的影响会产生对流，从而驱动熔池中的液体流动，在熔池中就会发生热对流、热辐射、热传导和固液的相变以及气体与液体之间的冶金反应，这是一个复杂的动态物理过程。而这些复杂的物理过程与最后成形件的表面质量和孔隙缺陷等都息息相关，而通过实验却无法追踪到激光定向能量沉积过程中熔池内部复杂的变化过程，并且无法实时的输出熔池在各个时间步的尺寸变化，所以采用数值模拟的方法实时监控熔池尺寸的变化对于激光定向能量沉积研究有着重要的意义。

发明内容

本发明提供一种激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法，以克服现有技术的缺陷。

为实现上述目的，本发明提供一种激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法，步骤一、建立计算流体力学模型，进行网格的划分，定义材料热物理属性，进行模型初始化；步骤二、建立控制方程，并依据方程模拟出熔池；步骤三、根据各个网格的体积分数变量和温度判断各交界面和熔池的实时形貌位置，计算出熔池的尺寸。

其中，步骤二中，在计算流体力学的范围之内，任何一种物体的流动都必须遵守动量守恒、质量守恒以及能量守恒定律，所以控制方程的建立包括能量守恒方程、质量守恒方程和动量守恒方程的建立三个方面。此模型所用的热源设置为高斯热源，除此之外，还要速度和温度两个方面进行初始条件和边界条件的设定。

步骤三中，在激光定向能量沉积的数值模拟过程中，温度和速度的数值都是基于网格来给定的，网格划分可以把模型分成很多小的单元，网格化分的越细，计算的值就越精确，本步骤就是根据各个网格中的温度值来判断熔池所在的位置跟踪自由界面的动态形貌，并且实时计算出熔池的尺寸。

进一步，本发明提供一种激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤三中，熔池的尺寸包括熔池长度、熔池宽度、熔池高度、熔池深度、熔池顶部表面积、熔池体积和熔池横断面面积。

进一步，本发明提供一种激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤三中，熔池长度的监控方法为：确定金属相与气体相的交界面；遍历金属相与气体相交界面的所有网格，提取所有网格的温度值；在温度等于沉积材料固相线温度的网格中，即金属基板与熔池的交界面网格，提取各网格的X轴坐标值，最大X轴坐标值与最小X轴坐标值的差值即为熔池长度。

进一步，本发明提供一种激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤三中，熔池宽度的监控方法为：确定金属相与气体相的交界面；遍历金属相与气体相交界面的所有网格，提取所有网格的温度值；在温度等于沉积材料固相线温度的网格中，即在金属相与气体相交界面中的金属基板与熔池交界处的网格，提取各网格的Y轴坐标值，最大Y轴坐标值与最小Y轴坐标值的差值即为熔池宽度。