激光快速成形激光、粉末与熔池交互数值模拟

本文针对激光快速成形过程中激光、粉末与熔池交互，建立了气/粉两相流场、激光快速成形件及熔池温度场模型。采用ANSYS单元生死技术模拟了激光加热及熔覆层的生长及熔池及自由界面形状，采用CFX基于拉格朗日方法的粒子跟踪（particle tracking model）模型追踪粉末颗粒并根据界面温度设置粒子平性（parallel）和垂直(perpendicular)动量损失模拟熔池对粒子的捕捉以及工件对粉末的反射。计算了316L不锈钢粉末、激光与熔池的交互，计算结果与实验相吻合。

1 前言

    激光快速成形技术是一项新的先进的制造技术,能够实现高性能复杂结构致密金属零件的快速、无模具、近终形制造,在航空、航天、汽车等高技术领域具有光明的应用前景[1-2] 。随着激光快速成形技术研究的深入开展,迫切要求发展建立能够准确描述激光熔覆过程的理论模型以准确把握其内在机理。

    激光快速成形的核心是激光熔覆——激光熔化粉末并逐层堆积的过程（如图1），在此过程中熔池自由表面是激光能量和粉末质量进入熔池的自由界面，同时也是熔覆层生长的动态边界，所以粉末与熔池交互是激光快速成形过程不可回避的基本问题，而要实现高性能复杂结构致密金属零件的整体精确制造则必须建立可靠的激光、粉末与熔池交互，从而在此基础之上实现激光快速成形过程的模拟。

图1 激光熔覆粉末熔化与逐层堆积过程

2 激光、粉末与熔池交互

    在激光快速成形过程中，由于激光加热和粉末流的输入，导致熔覆层的生长，而熔覆层的不断生长及逐层堆积又导致了成形件连续体域的不断变化，而成形件连续体域的这种变化又会影响动态温度场、流场的形成及发展，反过来，动态温度场、流场又会影响熔池对激光能量和粉末吸收，导致成形件连续体域的不断变化。上述过程如图2所示。

图2 激光、粉末与熔池交互过程

    由图可以看出，熔覆层生长是粉末与熔池自由表面作用、粉末与熔池熔液混合流动及熔化最后凝固堆积的结果，粉末之所以能进入熔池是因为激光加热成形件表面形成温度场分布，而在熔池处的温度超过熔点，形成了粉末可进入熔池的窗口——液态的熔池自由表面。熔池自由表面是成形件熔覆层生长的动态边界，是能量和质量进入的自由界面，所以激光、粉末与熔池交互伴随着熔池自由表面界面移动及熔覆层生长，是和熔池温度、流场及气/粉两相流场的形成及发展密不可分的。总的来说，激光、粉末与熔池交互主要包括： a. 激光与粉末交互，包括粉末对激光的遮蔽、粉末温度的升高及激光能量的空间分布；b. 气粉两相流的形成及粉末在工件及熔池表面的空间质量分布; c. 粉末与熔池表面以及工件表面交互，包括粉末的被捕捉及反弹；d. 熔池自由表面界面移动及熔覆层生长，包括温度及流场及自由表面界面演化等几大问题。而以上问题又相互有机的紧密联系着，期望采用统一模型同时解决难度相当大。

本文关键字：激光  机床，应用领域 - 机床