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摘 要：针对光内送粉激光直接成形法中成型件形貌、强度和温度的研究，从激光扫描作用机理和熔覆层形成机理出发，通过模型分析，计算发案分析，理论分析研究，为建立激光、粉末与基板相互作用模型，以及熔覆层与基板相互作用模型，完成对激光熔覆加工形成的成型件形貌、温度场和应力场提供理论依据。
关键词：数值分析 激光设计 机械制造
中图分类号：TG174.44 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）012-178-02
1 引言
基于激光熔覆的快速成形技术可以根据三维零件的模型直接制造出各种复杂的金属零件，在航天航空汽车船舶武器装备等领域得到了很大的发展。激光熔覆快速成形技术结合了激光熔覆与快速成形两大技术的优点，成为目前先进制造技术的一个重要研究方向。
2 计算模型分析
2.1 激光、粉末与基板的相互作用模型
针对激光对基板的加热熔化作用、粉末与保护气之间形成的气固两相流、激光对粉末的影响、以及粉末与基板的相互作用等物理过程，建立包括基板的熔化、气固两相流的形成、粉末对激光的遮蔽、激光对粉末的加热、熔池熔化粉末、粉末与基板的碰撞等数值计算模型，研究激光、粉末与基板之间的相互作用以及对成型件表面质量、温度、应力等的影响。
2.2 熔覆层与基板的相互作用模型
针对基板受热后形成熔覆层的形貌、温度和应力分布，以及激光参数、扫描速度和路径对熔覆层的影响等物理过程，建立包括熔覆层形貌、温度应力分布、基板变形、熔覆层的生长和堆积、成型件表面质量等数值计算模型，研究熔覆层与基板的相互作用以及对成型件质量和温度应力的影响。
3 计算方案
3.1 激光、粉末与基板的相互作用模型
3.1.1 基板的熔化
基板受到激光的加热熔化形成熔池，在熔化的过程中，粘度、密度、比热、导热率等材料参数都是随着温度变化而变化。以此为基础，建立材料属性参数随温度的变化模型模拟金属基板的熔化现象，并通过定义材料随温度变化的热焓H来考虑熔化和凝固潜热，即，其中， （T）为材料密度，c（T）为材料比热。熔化过程中的热传导遵循热传导方程，并且导热率随温度变化。
3.1.2 气固两相流模型
激光对熔池加热以后，喷嘴以一定的速率喷出载有保护气的合金粉末，这个过程中形成了气固两相流。其中，气体为连续相，采用N-S方程描述，粉末为离散相，采用力平衡方程描述。
3.1.3 粉末对激光的遮蔽及激光对粉末的加热
激光的能量服从Gauss分布，粉末会对激光产生遮蔽作用，对激光的能量产生影响，同时激光也会对粉末加热，以激光路径方向粉末截面积分数的分布为基础，建立粉末对激光的遮蔽模型以及激光与粉末的传热模型，对激光和粉末能量进行修正。
3.1.4 熔池和基板与粉末的相互作用模型
喷嘴喷出的粉末一部分撞入熔池，被熔池吸收；另一部分则撞上未熔化区，则发生弹性碰撞被反弹，以金属液相线的温度为判定准则，建立动量损失模型，从而表征金属粉末的利用率大小。
3.2 熔覆层与基板的相互作用模型
3.2.1 熔覆层沉积生长
采用有限元单元生死技术按时间和路径顺序激活熔覆层有限单元模拟熔覆层的生长，以进入熔池内的粉末为基础，建立熔覆高度随扫描时间和扫描路径的变化模型，实现熔覆层的沉积生长。
3.2.2 温度场、应力场计算模型
熔覆层和基板的传热遵循热传导方程，热传导系数和比热容均随温度变化，基板与空气、熔池与空气均为热对流边界，激光能量传递到基体上有能量损失，激光形成的热载荷沿扫描路径以一定扫描速度移动。基板受热引起热应力和热应变，形成液态的熔池没有应力。
4 计算结果
分别计算圆形光斑和环形光斑。
圆形光斑半径2mm，基板材料为钢，激光功率2500W，激光移动速度3mm/s，光斑能量服从Gauss分布，基板温度场如图1所示。随着光斑的移动，基板温度升高，温度场等值线呈椭圆形移动。光斑移动过程中基板最高温度呈现周期性，在一定范围内跳跃，最高温度为3723.53K。
不同时刻沿移动方向横截面的温度场等值线分布呈半椭圆形，钢的熔点为1788K，4个时刻的熔覆层厚度分别为1.1mm，1.3mm，1.4mm，1.4mm，随着光斑移动，熔覆厚度不断增加，最终形成稳定的熔覆层。
环形光斑外径3mm，内径2mm，基板材料为钢，激光功率5000W，激光移动速度3mm/s，光斑能量等温分布，温度场如图2所示，随着光斑的移动，基板温度升高，温度场等值线呈椭圆形移动，但椭圆并不明显。与圆形光斑相比，光斑移动过程中基板最高温度呈现振荡性，跳跃比较剧烈，最高温度为2894.67K，与圆形光斑相比，最高温度降低了22.3%，环形光斑的激光能量较小。
不同时刻沿移动方向横截面的温度场等值线分布呈半椭圆形，形成两个高温区，钢的熔点为1788K，4个时刻的熔覆层厚度分别为0.5mm，0.9mm，1mm，1mm，随着光斑移动，熔覆厚度不断增加，最终形成稳定的熔覆层。
参考文献：
[1] 张凯，刘伟军，尚晓峰，等.激光直接快速成形金属材料及零件的研究进展（上）-国外篇[J].激光杂志，2005，25（4）：4-8.
[2] 许勤，张坚.激光快速成型技术研究现状与发展[J].九江学院学报（自然科学版），2005（1）：8-10.
[3] 刘录录，孙荣禄.激光熔覆技术及工业应用研究进展[J] 热加工工艺，2007（11）.
[4] 周惦武，徐翔，周述积.快速成型技术的研究进展与发展趋势[J].铸造设备研究，2003（02）.
关键词：数值分析 激光设计 机械制造
中图分类号：TG174.44 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）012-178-02
1 引言
基于激光熔覆的快速成形技术可以根据三维零件的模型直接制造出各种复杂的金属零件，在航天航空汽车船舶武器装备等领域得到了很大的发展。激光熔覆快速成形技术结合了激光熔覆与快速成形两大技术的优点，成为目前先进制造技术的一个重要研究方向。
2 计算模型分析
2.1 激光、粉末与基板的相互作用模型
针对激光对基板的加热熔化作用、粉末与保护气之间形成的气固两相流、激光对粉末的影响、以及粉末与基板的相互作用等物理过程，建立包括基板的熔化、气固两相流的形成、粉末对激光的遮蔽、激光对粉末的加热、熔池熔化粉末、粉末与基板的碰撞等数值计算模型，研究激光、粉末与基板之间的相互作用以及对成型件表面质量、温度、应力等的影响。
2.2 熔覆层与基板的相互作用模型
针对基板受热后形成熔覆层的形貌、温度和应力分布，以及激光参数、扫描速度和路径对熔覆层的影响等物理过程，建立包括熔覆层形貌、温度应力分布、基板变形、熔覆层的生长和堆积、成型件表面质量等数值计算模型，研究熔覆层与基板的相互作用以及对成型件质量和温度应力的影响。
3 计算方案
3.1 激光、粉末与基板的相互作用模型
3.1.1 基板的熔化
基板受到激光的加热熔化形成熔池，在熔化的过程中，粘度、密度、比热、导热率等材料参数都是随着温度变化而变化。以此为基础，建立材料属性参数随温度的变化模型模拟金属基板的熔化现象，并通过定义材料随温度变化的热焓H来考虑熔化和凝固潜热，即，其中， （T）为材料密度，c（T）为材料比热。熔化过程中的热传导遵循热传导方程，并且导热率随温度变化。
3.1.2 气固两相流模型
激光对熔池加热以后，喷嘴以一定的速率喷出载有保护气的合金粉末，这个过程中形成了气固两相流。其中，气体为连续相，采用N-S方程描述，粉末为离散相，采用力平衡方程描述。
3.1.3 粉末对激光的遮蔽及激光对粉末的加热
激光的能量服从Gauss分布，粉末会对激光产生遮蔽作用，对激光的能量产生影响，同时激光也会对粉末加热，以激光路径方向粉末截面积分数的分布为基础，建立粉末对激光的遮蔽模型以及激光与粉末的传热模型，对激光和粉末能量进行修正。
3.1.4 熔池和基板与粉末的相互作用模型
喷嘴喷出的粉末一部分撞入熔池，被熔池吸收；另一部分则撞上未熔化区，则发生弹性碰撞被反弹，以金属液相线的温度为判定准则，建立动量损失模型，从而表征金属粉末的利用率大小。
3.2 熔覆层与基板的相互作用模型
3.2.1 熔覆层沉积生长
采用有限元单元生死技术按时间和路径顺序激活熔覆层有限单元模拟熔覆层的生长，以进入熔池内的粉末为基础，建立熔覆高度随扫描时间和扫描路径的变化模型，实现熔覆层的沉积生长。
3.2.2 温度场、应力场计算模型
熔覆层和基板的传热遵循热传导方程，热传导系数和比热容均随温度变化，基板与空气、熔池与空气均为热对流边界，激光能量传递到基体上有能量损失，激光形成的热载荷沿扫描路径以一定扫描速度移动。基板受热引起热应力和热应变，形成液态的熔池没有应力。
4 计算结果
分别计算圆形光斑和环形光斑。
圆形光斑半径2mm，基板材料为钢，激光功率2500W，激光移动速度3mm/s，光斑能量服从Gauss分布，基板温度场如图1所示。随着光斑的移动，基板温度升高，温度场等值线呈椭圆形移动。光斑移动过程中基板最高温度呈现周期性，在一定范围内跳跃，最高温度为3723.53K。
不同时刻沿移动方向横截面的温度场等值线分布呈半椭圆形，钢的熔点为1788K，4个时刻的熔覆层厚度分别为1.1mm，1.3mm，1.4mm，1.4mm，随着光斑移动，熔覆厚度不断增加，最终形成稳定的熔覆层。
环形光斑外径3mm，内径2mm，基板材料为钢，激光功率5000W，激光移动速度3mm/s，光斑能量等温分布，温度场如图2所示，随着光斑的移动，基板温度升高，温度场等值线呈椭圆形移动，但椭圆并不明显。与圆形光斑相比，光斑移动过程中基板最高温度呈现振荡性，跳跃比较剧烈，最高温度为2894.67K，与圆形光斑相比，最高温度降低了22.3%，环形光斑的激光能量较小。
不同时刻沿移动方向横截面的温度场等值线分布呈半椭圆形，形成两个高温区，钢的熔点为1788K，4个时刻的熔覆层厚度分别为0.5mm，0.9mm，1mm，1mm，随着光斑移动，熔覆厚度不断增加，最终形成稳定的熔覆层。
参考文献：
[1] 张凯，刘伟军，尚晓峰，等.激光直接快速成形金属材料及零件的研究进展（上）-国外篇[J].激光杂志，2005，25（4）：4-8.
[2] 许勤，张坚.激光快速成型技术研究现状与发展[J].九江学院学报（自然科学版），2005（1）：8-10.
[3] 刘录录，孙荣禄.激光熔覆技术及工业应用研究进展[J] 热加工工艺，2007（11）.
[4] 周惦武，徐翔，周述积.快速成型技术的研究进展与发展趋势[J].铸造设备研究，2003（02）.