激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法.pdf

《激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法.pdf（11页完成版）》请在专利查询网上搜索。

1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010073427.X (22)申请日 2020.01.22 (71)申请人 南京理工大学 地址 210094 江苏省南京市玄武区孝陵卫 200号 (72)发明人 韦辉亮廖文和刘婷婷刘福钦 (74)专利代理机构 南京钟山专利代理有限公司 32252 代理人 刘佳慧 (51)Int.Cl. B22F 3/105(2006.01) G01B 21/04(2006.01) G01B 21/08(2006.01) G01B 21/20(2006.01) B33Y 10/00(201。

2、5.01) B33Y 50/02(2015.01) (54)发明名称 一种激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测 与监控方法 (57)摘要 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。

3、定向能量沉积的工程应用有很好的借 鉴意义。 权利要求书2页 说明书6页 附图2页 CN 111112621 A 2020.05.08 CN 111112621 A 1.一种激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法， 其特征在于： 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。 2.根据权利要求1所述的激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法， 其特征在 于： 其中， 步骤三中， 熔池的尺寸包括熔池长。

4、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。 3.根据权利要求2所述的激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法， 其特征在 于： 其中， 步骤三中， 所述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， 提取其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所述熔池长度。 4.根据权利要求2所述的激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法， 其特征在 于： 其中， 步骤三中， 所述熔池宽度的监控方法为： 确定金属相与气体相的交界面； 遍。

5、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， 提取其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所述熔池宽度。 5.根据权利要求2所述的激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法， 其特征在 于： 其中， 步骤三中， 所述熔池高度的监测方法为： 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Z轴坐标值， 最小Z轴坐标值 为金属基板高度， 最大Z轴坐标值为熔池顶部高度； 熔池顶部高度与金属基板高度的差值即为所述熔池高度。 6.根据权利要求5所述的激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法， 其特。

6、征在 于： 其中， 步骤三中， 所述熔池深度的监测方法为： 确定金属相； 遍历金属相的所有网格， 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， 提取其Z轴坐标值， 最小Z轴坐标值为熔池 底部高度； 所述金属基板高度与熔池底部高度的差值即为所述熔池深度。 权利要求书 1/2 页 2 CN 111112621 A 2 7.根据权利要求2所述的激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法， 其特征在 于： 其中， 步骤三中， 所述熔池顶部表面积的监测方法为： 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； 计算温度大于沉积材料固相线温度的网。

7、格数量， 记为熔池的顶部表面网格数； 熔池的顶部表面网格数乘以网格的表面积即为所述熔池顶部表面积。 8.根据权利要求3-7任意一项所述的激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方 法， 其特征在于： 其中， 定义体积分数变量 ， 在每一时刻， 若 1， 则网格单元内部为金属域， 若 0， 则 网格单元内部为气体域， 若0 1， 则网格单元内为气体与金属混合域； 体积分数变量 根据控制方程计算得到； 根据 值为0.5的条件追踪确定金属相与气体相的交界面； 根据 值为1的条件追踪确定金属相。 9.根据权利要求2所述的激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法， 其特征在 于： 其中， 步骤三中， 所。

8、述熔池体积的监测方法为： 遍历作用域所有网格， 计算温度大于沉积材料固相线温度的网格数量， 记为熔池的网 格数； 熔池的网格数乘以网格的体积即为所述熔池体积。 10.根据权利要求2所述的激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法， 其特征在 于： 其中， 步骤三中， 所述熔池横断面面积的监测方法为： 遍历熔池横断面处的所有网格， 计算温度大于沉积材料固相线温度的网格数量， 记为 该熔池横断面的网格数； 熔池横断面的网格数乘以网格的横断面积即为所述熔池横断面面积。 权利要求书 2/2 页 3 CN 111112621 A 3 一种激光定向能量沉积熔池形貌尺寸预测与监控方法 技术领域 0001 本。

9、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 0002 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。 0003 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。

10、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 0004 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。 0005 为实。

11、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。 0006 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。

12、面进行初始条件和边界条件的设定。 0007 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。 0008 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 说明书 1/6 页 4 CN 111112621 A 4 深度、 熔池顶部表面积、 熔池体积和熔。

13、池横断面面积。 0009 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。 0010 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。

14、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。 0011 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， 熔池高度的监测方法为： 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Z轴坐标值， 最小Z轴坐标值为 金属基板高度， 最大Z轴坐标值为熔池顶部高度； 熔池顶部高度与金属基板高度的差值即为 熔池高度。。

15、 0012 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， 熔池深度的监测方法为： 确定金属相； 遍历金属相的所 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， 即金属相中金 属基板与熔池交界处的网格， 提取各网格的Z轴坐标值， 最小Z轴坐标值为熔池底部高度； 金 属基板高度与熔池底部高度的差值即为熔池深度。 0013 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， 熔池顶部表面积的监测方法为： 确定金属相与气体相 的交界面； 遍历金。

16、属相与气体相交界面的所有网格， 提取所有网格的温度值； 计算温度大于 沉积材料固相线温度的网格数量， 即金属相与气体相的交界面中熔池与气体相交界处的网 格， 记为熔池的顶部表面网格数； 熔池的顶部表面网格数乘以网格的表面积(网格的表面积 为网格在X轴Y轴平面的面积)即为熔池顶部表面积。 0014 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， 定义体积分数变量 ， 在每一时刻， 若 1， 则网格单元内部为金 属域， 若 0， 则网格单元内部为气体域， 若0 1， 则网格单元内为气体与金属混合域； 体积分数变量 根据控制方程计算得到； 根据。

17、 值为0.5的条件追踪确定金属相与气体相的 交界面； 根据 值为1的条件追踪确定金属相。 0015 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， 熔池体积的监测方法为： 遍历作用域所有网格， 计算温 度大于沉积材料固相线温度的网格数量， 记为熔池的网格数； 熔池的网格数乘以网格的体 积即为熔池体积。 0016 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， 熔池横断面面积的监测方法为： 遍历熔池横断面处的 所有网格， 计算温度大于沉积材料固相线温度的网格数量。

18、， 记为该熔池横断面的网格数； 熔 说明书 2/6 页 5 CN 111112621 A 5 池横断面的网格数乘以网格的横断面积(网格的横断面积为网格在Y轴Z轴平面的面积) 即为熔池横断面面积。 0017 本发明的有益效果在于： 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， 是一种基于激光定向能量沉积熔池的预测模拟模型， 进一步监控模拟熔池形貌 尺寸的方法， 其中， 在通过控制方程和输入参数在模型中模拟构建熔池为现有技术， 非本申 请的保护内容。 0018 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。

19、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。 附图说明 0019 图1是熔池各尺寸的示意图； 0020 图2是熔池长度、 宽度、 高度和深度随热源中心沿扫描方向的变化图； 0021 图3是熔池顶部表面积和熔池体积随热源中心沿扫描方向的变化图； 0022 图4是熔池在X5、 7.5、 10、 15、 20mm处的熔池横断面面积随热源中心沿扫描方向 的变化图。 具体实施方式 0023 以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。 0024 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： 0025 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。

20、属性， 进行模 型初始化。 0026 此模型的金属基板的尺寸为30mm20mm10mm,单道的沉积尺寸为25mm,在沉积 区域网格尺寸为0.2mm0.2mm0.2mm。 沉积的金属材料为IN718， 其基本的参数如下表所 示。 0027 表一IN718的物性参数 说明书 3/6 页 6 CN 111112621 A 6 0028 0029 激光定向能量沉积的输入工艺参数如下表所示。 0030 表二激光定向能量沉积工艺参数 0031 0032 步骤二、 建立控制方程， 并依据方程模拟出熔池。 0033 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。

21、， 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。 0034 质量守恒方程： 0035 0036 动量守恒方程： 0037 0038 能量守恒方程： 0039 0040 相方程： 0041 0042其中 为材料的密度， 为速度向量， t为时间,p为压力， 为动力粘度，为动量 说明书 4/6 页 7 CN 111112621 A 7 源项，为马兰戈尼力， 为表面张力，为浮力，为糊状区域阻尼力， T为温度， Cp为比热容， k为热导率， ST为能量源项， Qh为表面热量， Ql为由于热对流、 热辐射和蒸发而损 失的能量。 0043 此模型所用的热源为高斯热源： 。

22、0044 0045 其中f为分布因子， 为吸收率， P为激光功率， r激光半径， (xo， y0)为激光束中心坐 标。 0046 初始条件和边界条件的设定包括温度场和速度场两个方面。 0047 为了对温度控制方程进行合理的求解， 需根据传热过程中成形的特点来设置初始 条件,此处设置的初始温度为298K， 温度边界条件为： 0048 T(x， y， z， 0)T0(x， y， z) (6) 0049 速度边界条件在各个边界均设置为0。 0050 根据上述控制方程和输入参数等条件模拟出熔池。 0051 步骤三、 根据各个网格的体积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。 00。

23、52 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， 本发明 就是根据各个网格中的温度值来判断熔池所在的位置， 利用VOF(volume of fluid)方法跟 踪自由界面的动态形貌。 定义体积分数变量 ， 在每一时刻， 若 1， 则网格单元内部为金属 域， 若 0， 则网格单元内部为气体域。 若0 1， 则网格单元内为气体与金属混合域， 根 据 值为0.5的条件追踪金属相与气体相的交界面， 并实时计算出熔池的尺寸。 0053 熔池的尺寸包括熔池长度、 熔池宽度、 熔池高度、 熔池深度。

24、、 熔池顶部表面积、 熔池 体积和熔池横断面面积。 0054 如图1所示， 熔池长度的监控： 0055 1)根据 值为0.5的条件追踪确定金属相与气体相的交界面。 即找出 0.5的所有 网格， 即为金属相与气体相的交界面。 0056 2)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。 0057 3)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轴坐标值记为X2， 最小X轴坐标值记为X1， 熔池长度PL为： 0058 PLX2-X1 0059 熔池宽度的监控： 0060 1)根据 值为0.5的条件追踪确定金属相与气体相的交界。

25、面。 即找出 0.5的所有 网格， 即为金属相与气体相的交界面。 0061 2)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。 0062 3)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轴坐标值记为Y2， 最小Y轴坐 标值记为Y1， 熔池宽度PW为： 说明书 5/6 页 8 CN 111112621 A 8 0063 PWY2-Y1 0064 熔池高度的监测： 0065 1)根据 值为0.5的条件追踪确定金属相与气体相的交界面。 即找出 0.5的所有 网格， 即为金属相与气体相的交界面。 00。

26、66 2)遍历金属相与气体相交界面的所有网格， 提取所有网格的Z轴坐标值， 最小Z轴 坐标值为金属基板高度， 记为Z0， 最大Z轴坐标值为熔池顶部高度， 记为Z1， 熔池高度PH为： 0067 PHZ1-Z0 0068 熔池深度的监测方法为： 0069 1)根据 值为1的条件追踪确定金属相。 找出 1的所有网格， 即为金属相。 0070 2)遍历金属相的所有网格， 提取所有网格的温度值。 0071 3)在温度等于沉积材料固相线温度的网格中， 即金属相中金属基板与熔池交界处 的网格， 提取各网格的Z轴坐标值， 最小Z轴坐标值为熔池底部高度， 记为Z2， 熔池深度PD为： 0072 PDZ0-Z2。

27、 0073 熔池长度、 宽度、 高度和深度随热源中心沿扫描方向的变化如图2所示。 0074 熔池顶部表面积的监测： 0075 1)根据 值为0.5的条件追踪确定金属相与气体相的交界面。 即找出 0.5的所有 网格， 即为金属相与气体相的交界面。 0076 2)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。 0077 计算温度大于沉积材料固相线温度的网格数量， 即金属相与气体相的交界面中熔 池与气体相交界处的网格， 记为熔池的顶部表面网格数N。 0078 3)每个网格的表面积(网格的表面积为网格在X轴Y轴平面的面积)为S， 熔池顶 部表面积PS为： 0079 PSNS 0080 熔。

28、池体积的监测： 0081 1)遍历作用域所有网格， 计算温度大于沉积材料固相线温度的网格数量， 记为熔 池的网格数N1。 0082 2)每个网格的体积为V， 熔池体积PV为： 0083 PVN1V 0084 熔池顶部表面积和熔池体积随热源中心沿扫描方向的变化如图3所示。 0085 熔池横断面面积的监测： 0086 1)取X等于5mm,7.5mm,10mm,15mm,20mm,五个横断面。 0087 遍历熔池横断面处的所有网格， 计算温度大于沉积材料固相线温度的网格数量， 记为该熔池横断面的网格数N2。 0088 2)网格的横断面积(网格的横断面积为网格在Y轴Z轴平面的面积)为ST， 熔池横 断面面积PT为： 0089 PTN2S 0090 熔池横断面面积随热源中心沿扫描方向的变化如图4所示。 说明书 6/6 页 9 CN 111112621 A 9 图1 图2 说明书附图 1/2 页 10 CN 111112621 A 10 图3 图4 说明书附图 2/2 页 11 CN 111112621 A 11 。