一种基于熔池状态划分的选区激光熔化熔池尺寸预测方法技术

本发明专利技术涉及一种基于熔池状态划分的选区激光熔化熔池尺寸预测方法，属于金属增材制造技术领域，其包括如下步骤：S1、定义熔池形貌和需要预测的关键尺寸；S2、设定划分熔池状态的工艺参数；S3、根据工艺参数确定熔池状态；S4、确定熔池尺寸预测公式；S5、根据熔池状态确定熔池形状比例并代入熔池尺寸预测公式，得到熔池尺寸的预测值。本发明专利技术考虑了工艺参数对熔池状态的影响，根据工艺参数进行熔池状态划分，基于划分的熔池状态预测熔池尺寸，计算时间短，操作简单，预测精度高，具有较强的实用性。具有较强的实用性。具有较强的实用性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于熔池状态划分的选区激光熔化熔池尺寸预测方法


[0001]本专利技术涉及金属增材制造
，特别涉及一种基于熔池状态划分的选区激光熔化熔池尺寸预测方法。

技术介绍

[0002]选区激光熔化(Selective laser melting，SLM)属于金属增材制造技术，已被广泛应用于航空航天、医疗、军事、汽车等领域的金属零件加工。然而，预测SLM成型件的实际几何形貌与尺寸非常困难，依旧是该技术推广与应用的一个瓶颈问题。影响SLM成型件实际几何形貌与尺寸的因素有很多，熔池尺寸是其中一个重要因素。有缺陷的熔池会导致SLM成型件不合格，甚至导致制造失败。因此，熔池尺寸是反映SLM工艺质量的关键指标。同时，SLM熔池尺寸预测是SLM工艺质量控制的重要步骤。
[0003]目前，常用的SLM熔池尺寸预测方法有试验法、数值仿真法和解析式方法。例如，中国专利技术专利公开号CN111112621A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，中国专利技术专利公开号CN113976920A提出了一种选区激光熔化成形结构残余变形的跨尺度控制方法本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于熔池状态划分的选区激光熔化熔池尺寸预测方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、定义熔池形貌和需要预测的关键尺寸；S2、设定划分熔池状态的工艺参数；S3、根据工艺参数确定熔池状态；S4、确定熔池尺寸预测公式；S5、根据熔池状态确定熔池形状比例并代入熔池尺寸预测公式，得到熔池尺寸的预测值。2.根据权利要求1所述的一种基于熔池状态划分的选区激光熔化熔池尺寸预测方法，其特征在于，在步骤S1中，定义的熔池形貌上需要预测的关键尺寸包括：熔池高度h，熔池深度d和熔池宽度w；在步骤S2中，设定划分熔池状态的工艺参数包括：熔化程度参数λ
fusion
，高熔状态临界系数μ
HM
，中熔状态临界参数μ
MM
，欠熔状态临界系数过熔状态临界系数在步骤S3中，根据步骤S2设定的划分熔池状态的工艺参数将熔池状态划分为五类：欠熔状态、低熔状态、中熔状态、高熔状态、过熔状态；其中，低熔状态、中熔状态和高熔状态下的熔池形貌均为步骤S1定义的熔池形貌；具体地，根据步骤S2设定的划分熔池状态的工艺参数划分熔池状态划分的方法为：(1)当时，熔池状态划分为欠熔状态；(2)当时，熔池状态划分为低熔状态；(3)当μ
MM
≤λ
fusion
<μ
HM
时，熔池状态划分为中熔状态；(4)当时，熔池状态划分为高熔状态；(5)当时，熔池状态划分为过熔状态；在步骤S4中，由能量公式和步骤S1确定的熔池形貌，得到与熔池形状比例相关的熔池尺寸预测公式，包括：熔池深度d的计算公式，熔池宽度w的计算公式，熔池高度h的计算公式；在步骤S5中，首先根据步骤S3划分的低熔状态、中熔状态和高熔状态，确定各个熔池状态对应的熔池形状比例，然后将各个熔池状态对应的熔池形状比例代入到步骤S4确定的熔池计算公式，获得熔池的尺寸预测结果。3.根据权利要求2所述的一种基于熔池状态划分的选区激光熔化熔池尺寸预测方法，其特征在于，在步骤S1中，定义的熔池形貌为上下两个半椭圆形组合成的组合图形，上半部分的半椭圆形开口朝下，下半部分的半椭圆形开口朝上，两个半椭圆形的开口处长度相等，两个半椭圆形在开口处组合。4.根据权利要求3所述的一种基于熔池状态划分的选区激光熔化熔池尺寸预测方法，其特征在于，熔池高度h为熔池上半部分的半椭圆形的高度，熔池深度d为下半部分的半椭圆形的高度，熔池宽度w为熔池上半部分的半椭圆形的开口处长度。5.根据权利要求2所述的一种基于熔池状态划分的选区激光熔化熔池尺寸预测方法，其特征在于，
熔化程度参数λ
fusion
由下式计算：λ
fusion
＝ΔH/C
lackfusion
，式中，ΔH为比焓，C
lackfusion
为熔合临界比焓值，分别由下面两式计算：为熔合临界比焓值，分别由下面两式计算：式中，η为固态材料吸收效率，P为激光功率，π为圆周率，H
sl
为单位体积熔化潜热，a为热扩散系数，v为扫描速率，D为激光光斑直径，L
t
为层厚，C为材料比热容，T
m
为材料熔点，T
o
为材料初始温度；高熔状态临界系数μ
HM
由下式计算：式中，x
m
为熔化度临界系数，T
b
为材料沸腾温度；中熔状态临界参数μ
MM
由下式计算：欠熔状态临界系数由下式计算：式中，为材料欠熔缺陷状态的临界系数，的取值范围为过熔状态临界系数由下式计算：式中，为材料过熔缺陷状态的临界系数，的取值范围为6.根据权利要求5所述的一种基于熔池状态划分的选区激光熔化熔池尺寸预测方法，其特征在于，激光功率P为100～500W，扫描速率v为0.5～2.5m/s，激光光斑直径D为30～70μm，层厚L
t
为50～65μm。7.根据权利要求2所述的一种基于熔池状态划分的选区激光熔化熔池尺寸预测方法，其特征在于，在步骤S4中，确定熔池尺寸预测公式的过程为：考虑到熔池成型过程涉及的能量传递包括：粉末熔化形成熔池，熔池凝固，熔池表面与基体的传导传热，熔池...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄志成，郭锴，涂勇强，乔立红，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：