一种基于超声振动辅助的熔覆层截面形貌计算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于超声振动辅助的熔覆层截面形貌计算方法，进行激光熔覆；对激光熔覆的加工区域进行离散化处理，每个离散单元作为一个元胞；构建粉末束流模型；以超声振动辅助下进行激光熔覆时存在的物理过程构建热源模型；根据粉末束流模型和热源模型得到每个元胞的状态，元胞状态包括相态和温度；基于元胞自动机根据超声振动辅助下熔覆层的温度传递规则和即时元胞状态计算下一时刻的元胞状态，实现元胞状态更新；基于超声振动辅助改进液滴成形方法，计算熔覆层元胞分布，得到熔覆层的截面形貌。通过结合元胞自动机方法和振动作用下的液滴成形理论，建立更加完善的熔覆层截面轮廓计算模型，实现熔覆层截面形貌的准确计算。计算。计算。

【技术实现步骤摘要】
一种基于超声振动辅助的熔覆层截面形貌计算方法


[0001]本专利技术涉及激光熔覆，具体是涉及一种基于超声振动辅助的熔覆层截面形貌计算方法。

技术介绍

[0002]激光熔覆技术在部件加工中的应用越来越多。然而，熔覆过程中熔池温度的快速变化会导致熔覆层质量欠佳。35CrMo钢的碳当量值Ceq＝0.72％，焊接性不良，激光熔覆时其硬倾向较大，热影响区热裂和冷裂倾向都会较大。在35CrMo基底上进行激光熔覆时，熔覆层的热影响区的显微硬度较高，但是热影响区也容易产生裂纹。没有超声振动的热影响区产生的裂纹较多，除了会产生较大的主裂纹，还会有若干细小的微裂纹。超声振动辅助激光熔覆技术的研究可以提高熔覆层加工质量，对拓展激光熔覆技术的应用具有推动作用。
[0003]超声振动在激光熔覆过程中会产生声流和空腔效应，通过改变凝固过程中的低光度和核化率来影响熔融金属的结晶。超声波在改善金属凝固结构和减少内部毛孔方面显示出强大的技术优势。目前，一些研究针对超声振动的功率或频率对激光熔覆的影响逐步展开，但是涉及的振动参数相对较少，更多的振动参数对熔覆层质量和形貌的影响需要进一步探索。此外，基底材料的振动规律不确定，超声波能量不能充分传递到熔覆层的熔池中。大部分研究局限于微观结构和力学性能等方面。超声振动影响熔覆层宏观形貌方面的研究很少，这将会对超声振动辅助激光熔覆技术的加工精度产生制约。另外，目前关于超声振动辅助激光熔覆技术的研究主要为实验研究，数值模拟方面的研究严重不足。计算模型的建立是推动超声振动辅助激光熔覆技术发展的有效动力。r/>
技术实现思路

[0004]专利技术目的：针对以上缺点，本专利技术提供一种计算准确的基于超声振动辅助的熔覆层截面形貌计算方法。
[0005]技术方案：为解决上述问题，本专利技术采用一种基于超声振动辅助的熔覆层截面形貌计算方法，包括以下步骤：
[0006](1)对基底加载超声振动；
[0007](2)四通道同轴送粉喷头将激光束及粉末束喷射至基底表面形成熔覆层，进行激光熔覆；对激光熔覆的加工区域进行离散化处理，每个离散单元作为一个元胞；
[0008](3)构建描述四通道送粉喷头下四个粉末束流浓度分布的粉末束流模型；
[0009](4)以超声振动辅助下进行激光熔覆时存在的物理过程构建热源模型；
[0010](5)根据粉末束流模型和热源模型得到每个元胞的状态，元胞状态包括相态和温度；
[0011](6)基于元胞自动机根据超声振动辅助下熔覆层的温度传递规则和即时元胞状态计算下一时刻的元胞状态，实现元胞状态更新；
[0012](7)基于超声振动改进液滴成形方法，根据液态元胞的铺展过程，计算熔覆层元胞
分布，得到熔覆层的截面形貌。
[0013]进一步的，所述基底采用35CrMo材料，所述步骤(1)中先对35CrMo基底材料进行固有频率测定，或将35CrMo基底材料设计成特定形状使其具有特定的固有频率，其固有频率为15kHz或20kHz。
[0014]进一步的，所述步骤(3)中，四通道送粉喷头下四个粉末束的中心不重合，粉末束流浓度分布的表达式为：
[0015][0016]其中，Pcon
f
、Pcon
b
、Pcon
l
、Pcon
r
分别为四个粉末束流的浓度分布，Pcon为水平基底上的粉末质量浓度，pcon＝F/S为进入每个单位长度熔融池的粉末量；F是送粉速率，S是扫描速度，H是四通道同轴送粉喷头与水平基底表面之间的垂直距离，θ是粉末束流背离角的一半，β是同轴粉末喂料器轴与水平基底之间的角度。
[0017]进一步的，激光作为热源对粉末进行热输入，激光热源功率密度q(t)
s
表达式为：
[0018][0019]其中，P为激光功率，为粉末对激光能量的衰减率，x和y分别表示元胞空间中当前元胞的位置，r为激光光斑半径，V
x
为激光沿X轴方向运动速度，V
y
为激光沿Y轴方向运动速度，t为激光运行时间，a为元胞尺寸。
[0020]加载的超声振动对熔覆层及基底产生热效应，超声振动的功率密度q
U
表达式为：
[0021]q
U
＝2aN10
‑
15
f2(2πρc
s
fA)2/(2ρc
s
)
[0022]其中，N为超声波吸收系数常量，c
s
为超声波的传播速度，f为振动频率，ρ为粉末材料密度，A为振幅。
[0023]超声振动辅助激光熔覆过程中，熔覆层除了吸收激光和超声振动的能量，还存在熔覆层和空气间的辐射和对流导致的能量损失，则熔覆层粉末的温升为：
[0024]ΔT
x,y,k
＝(q
s
+q
U
‑
q
conv
‑
q
rad
)a2Δt/(cρa3)
[0025]其中，ΔT
x,y,k
是位置为(x,y,k)处元胞温度变化值，q
s
是激光功率密度，q
conv
是对流散热损失能量的功率密度，q
rad
是辐射散热损失能量的功率密度，c为比热容，ρ为粉末材
料密度。
[0026]进一步的，所述步骤(7)中，所述液滴成形方法描述了熔滴的总能E，表达式为：
[0027][0028]其中，γ
SV
表示固
‑
气表面自由能，γ
SL
表示固
‑
液表面自由能，γ
LV
表示液
‑
气表面自由能；A
LV
表示液
‑
气界面的各个元胞的边界面积，A
SV
表示固
‑
液界面的各个元胞的边界面积，ρ
i
是液体的密度，g是重力加速度常量，v
l
是液态元胞的体积，z
l
是液态元胞的质心高度。当E最小时，得到熔覆层元胞的最终分布，根据熔覆层元胞分布，得到熔覆层的截面形貌。
[0029]本专利技术中熔覆层质量分析步骤为：
[0030]采用电火花线切割技术(EDM)对单道熔覆层的横截面进行切割。使用体视显微镜观察熔覆层截面形貌。从每条轨道上切割并测量三个横截面的尺寸参数并取平均值。采用样条曲线对熔覆层截面形貌拟合后进行接触角和截面积的测算。
[0031]激光熔覆的试样经切割、磨削、抛光、腐蚀后，进行微观组织的金相观察和分析。抛光后的样件采用数字显微硬度测试仪进行熔覆层的显微硬度测试。
[0032]有益效果：本专利技术相对于现有技术，其显著优点是通过结合元胞自动机方法和液滴成形理论，建立超声振动辅助下更加完善的熔覆层截面轮廓计算模型，激光熔覆时基底材料和超声振动装置的共振，超声振动的能本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超声振动辅助的熔覆层截面形貌计算方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)对基底加载超声振动；(2)四通道同轴送粉喷头将激光束及粉末束喷射至基底表面形成熔覆层，进行激光熔覆；对激光熔覆的加工区域进行离散化处理，每个离散单元作为一个元胞；(3)构建描述四通道送粉喷头下四个粉末束流浓度分布的粉末束流模型；(4)以超声振动辅助下进行激光熔覆时存在的物理过程构建热源模型；(5)根据粉末束流模型和热源模型得到每个元胞的状态，元胞状态包括相态和温度；(6)基于元胞自动机根据超声振动辅助下熔覆层的温度传递规则和即时元胞状态计算下一时刻的元胞状态，实现元胞状态更新；(7)基于超声振动改进液滴成形方法，根据液态元胞的铺展过程，计算熔覆层元胞分布，得到熔覆层的截面形貌。2.根据权利要求1所述的熔覆层截面形貌计算方法，其特征在于，所述基底采用35CrMo材料，所述步骤(1)中先对35CrMo基底材料进行固有频率测定，或将35CrMo基底材料设计成特定形状使其具有特定的固有频率，其固有频率为15kHz或20kHz。3.根据权利要求1所述的熔覆层截面形貌计算方法，其特征在于，所述步骤(3)中，四通道送粉喷头下四个粉末束的中心不重合，粉末束流浓度分布的表达式为：其中，Pcon
f
、Pcon
b
、Pcon
l
、Pcon
r
分别为四个粉末束流的浓度分布，Pcon为水平基底上的粉末质量浓度，pcon＝F/S为进入每个单位长度熔融池的粉末量；F是送粉速率，S是扫描速度，H是四通道同轴送粉喷头与水平基底表面之间的垂直距离，θ是粉末束流背离角的一半，β是同轴粉末喂料器轴与水平基底之间的角度。4.根据权利要求3所述的熔覆层截面形貌计算方法，其特征在于，激光作为热源对粉末进行热输入，激光热源功率密度q(t)
s
表达式为：
其中，P为激光功率，为粉末对激光能量的衰减率，x和y分别表示元胞空间中当前元胞的位置，r为激光光斑半径，V
x
为激光沿X轴方向运动速度，V
y
为激光沿Y轴方向运动速度，t为激光运行时间，a为元胞尺寸。5.根据权利要求4所述的熔覆层截面形貌计算方法，其特征在于，加载的超声振动对熔覆层产生热效应，超...

【专利技术属性】
技术研发人员：柴青，韩雨杨，竺志大，寇海江，曾励，张帆，杨坚，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：