不同熔覆厚度下金属熔丝增材制造应力应变分析_刘伟.pdf

DOI:10 3969/j issn 2095 509X 2023 06 012不同熔覆厚度下金属熔丝增材制造应力应变分析刘伟1，2，李素丽3，马恺悦3，寇丹阳3，赵京生3，4(1 陕西国防工业职业技术学院智能制造学院，陕西 西安710300)(2 航天高端制造陕西省高校工程研究中心，陕西 西安710300)(3 西安科技大学机械工程学院，陕西 西安710054)(4 西安泰辉机械科技有限公司，陕西 西安710086)摘要:以金属钛合金丝材 Ti6A14V 为研究对象，建立高斯面热源有限元分析模型，对不同熔覆厚度进行模拟仿真，研究分析 Ti6A14V 增材制造过程中的单道单层温度场、应力场变化，寻找出最优的方案并进行实验验证。结果表明:Ti6A14V 工件在制造过程中存在较大的温度场梯度，而且随着成形厚度的增加，工件内部热量积累和应力现象明显降低;在冷却过程中，基板与第一道成形层处容易产生应力集中，其产生的纵向应力在残余应力的分布中占主导地位。此研究结果可为金属 Ti6A14V 熔丝增材制造的工艺参数优化提供理论依据。关键词:增材制造;应力应变;数值模拟;仿真分析;实验验证中图分类号:TG441文献标识码:A文章编号:2095 509X(2023)06 0063 05熔丝增材制造采用高能激光热源，这种热源的能量分布集中且密度大，可以很容易地达到金属丝材的熔点，进而达到熔丝的目的，而且加热范围较小、冷却速度快，适合成形1。整个激光增材制造过程中，激光与送丝机协同工作，激光会持续照射在金属丝上一点，在基板上形成熔池，熔池冷却之后形成成形层，这样经过一层层的材料累加后就形成了实体2。激光熔丝成形技术在使用过程中存在许多问题，成形厚度对工件内部热量积累和应力影响有待研究。本文的目的是通过研究激光增材制造中应力应变场的分布情况，分析如何调整成形层厚度等因素，找到成形结果较好的方案。1有限元分析模型的建立由于整个激光增材制造过程是标准的动态非线性热传导的变化过程3，因此基于实验数据对增材工件的几何形状与基板的几何尺寸以及几何模型进行修改简化，可以减少大量计算时间，提高工作效率。几何模型如图 1 所示。因为增材制造过程中成形层下方的基板首先受到第一层的热应力影响，并且在增材制造过程中散热与变形密不可图 1几何模型分，所以在有限元分析模型中加入了基板。设基板尺寸为 50 0 mm 50 0 mm 5 0 mm，成形层尺寸为 2 0 mm 2 0 mm 0 6 mm。从有限元分析原理可知，网格划分得越细密，求解结果的精度越高，但求解速度相应变慢。在保持约束和载荷不变的情况下，逐步细化网格，对模型进行计算，综合求解精度和速度，确定网格划分的单元尺寸为 1 mm，平均表面积为 534 33 mm2，网格划分如图 2 所示。为真实反映激光增材制造过程，建立生死单元来模拟丝材熔化与未熔化的状态。假设熔融材料各向同性;金属材料的物性参数如热传导收稿日期:2023 02 15基金项目:陕西省教育厅2022 年度服务地方专项科研计划项目(22JC053);陕西省秦创原“科学家+工程师”队伍建设项目(2022KXJ 071);2022 年度秦创原成果转化孵化能力提升项目(2022JH ZHFHTS 0012);陕西国防工业职业技术学院2023 年度科研计划项目(Gfy23 10);陕西省教育科学“十四五”规划2021 年度课题(SGH21Y0522);陕西职业教育乡村振兴研究院2022 年度研究课题(22YB020);陕西省重点研发计划(2023QCY LL 02)作者简介:刘伟(1982)，男，副教授，硕士，主要研究方向为工艺装备设计与制造、增材制造，50832692 qq com通讯作者:李素丽，女，副教授，563456137 qq com362023 年 6 月机械设计与制造工程Jun 2023第 52 卷 第 6 期Machine Design and Manufacturing EngineeringVol 52 No 6率、比热容、密度、杨氏弹性模量随温度变化;熔丝的激光加热热源为高斯分布的面热源;激光熔丝增材制造过程中热量辐射、基板对空气的热量对流系数由经验选取;激光增材制造过程中丝材及基板的初始温度均为22，周围环境空气温度为22 3 6。图 2网格划分本文所使用的材料为 Ti6A14V 钛合金丝材，其材料属性如图 3 所示7 9。图 3Ti6A14V 材料属性由图可知，随着温度上升，密度逐渐下降，杨氏模量下降的幅度增大，热膨胀系数逐渐增大，呈非线性增长10 12。2单道增材制造应力场分析影响激光增材制造成形质量和精度的因素包括激光功率、激光光斑直径、送丝速度、基板预热温度、成形层厚度、成形路径等。本文主要针对不同的成形层厚度分析温度场、应力应变场的变化趋势，在对照中寻找成形过程中比较适合成形的方案。在保持其他参数不变的情况下，改变成形层厚度，进行激光熔覆的应力场数值模拟。不同成形层厚度模拟方案见表 1。表 1不同成形层厚度模拟方案层厚/mm热流密度/(W/m2)送丝速度/(mm/s)光斑半径/mm061E+0881071E+0881081E+08812 1成形层厚度为 0 6 mm 的应力场分析热流密度 1E+08 W/m2、激光光斑半径为 1mm、扫描速度为 6 mm/s、成形层厚度为 0 6 mm时，温度变化曲线如图 4 所示，其中温度峰值为1 918 8。等效应力分布云图如图 5 所示，由云图可以看出应力场呈上下对称分布，最大应力分布在横向对称轴区域，随时间推移最大应力区域逐渐沿激光扫描速度方向扩大，周围应力呈梯度变化，向外逐渐降低。图 4温度变化曲线图462023 年第 52 卷机械设计与制造工程图 5等效应力分布云图图 6 为等效应变曲线图，等效应变峰值为2 14E 03，图 7 为等效应力变化曲线图，应力峰值为 402 MPa。图 6等效应变变化曲线图图 7等效应力变化曲线图2 2成形层厚度为 0 7 mm 的应力场分析热流密度为 1E+08 W/m2、激光光斑半径为 1mm、扫描速度为 8 mm/s、成形层厚度为 0 7 mm时，温度变化曲线如图 8 所示。其中温度峰值为1 879，温度在 0 50 s 之后开始保持稳定。图 8温度变化曲线图图 9 中等效应变峰值为 2 02E 03，在 1 20 s后整体趋于稳定。图 9等效应变变化曲线图等效应力变化曲线如图 10 所示，其应力峰值为 391 MPa。图 10等效应力变化曲线图2 3成形层厚度为 0 8 mm 的应力场分析热流密度为 1E+08 W/m2、激光光斑半径为 1mm、扫描速度为 8 mm/s、成形层厚度为 0 8 mm时，温度变化曲线如图 11 所示。其中最高温度为2 198 7。等效应变变化曲线如图 12 所示。可以看出，等效应变峰值为 2 10E 03。等效应力变化曲线如图 13 所示，应力峰值为562023 年第 6 期刘伟:不同熔覆厚度下金属熔丝增材制造应力应变分析386 MPa。图 11温度变化曲线图图 12等效应变变化曲线图图 13等效应力变化曲线图由此可知，成形层的厚度会影响激光热源的传导，成形层太厚会导致热量无法传递至基板，使基板与熔融的金属材料不能进行良好的冶金结合;成形层太薄又会导致热量在基板上积累过多，从而使基板发生翘曲变形，影响成型效果。成形层厚度越大，基板上的热量分布会越小，产生的应力对基板的影响会变小，但是熔融区域温度差异会变大，可能在熔覆层和基板结合处出现部分没有融化的现象。2 4实验验证实验装置如图 14 所示，主要由激光器、送丝机、氩气气路、丝材加热装置以及基板等组成。基板可以在 X、Y、Z3 个方向移动。实验中，主要用到的是直径为 0 8 mm 钛合金丝材和基板，设定底板加热温度为 250，基板移动速度为 5 mm/s，送丝速度为 540 mm/min，固定送丝头距基板的距离为2 mm，热流密度为 1E+08 W/m2、激光光斑半径为1 mm、扫描速度为6 mm/s。根据前文分析结果，不同成形层厚度的样件形貌见表 2。在打印实验过程中，打印过程稳定，打印件形貌良好，由实验结果可知，相同参数的情况下，成形层厚度越大，成形层宽度越小。图 14实验装置表 2不同成形层厚度的样件形貌序号成形层厚度/mm样件形貌1062073082 53 种方案的对比分析由表 3 可知:温度、等效应力和应变峰值随着成形层的厚度增加而减小。0 6 mm 厚度的温度峰值最大，达到 1 987，应力峰值达到 402 MPa。0 7 mm 厚度的温度峰值为 1 879，应力峰值达到 391 MPa。0 8 mm 厚度的温度峰值相比较于另外 2 种方案分别降低了 6 4%和 1 0%，应力峰值降低了 4 0%和 1 3%。等效应变峰值也随成形层的厚度增加而减小，但数值相差不大。表 33 种成形层厚度下的应力应变值成形层厚度/mm最大温度/最大等效应变最大等效应力/MPa061 987214E 03402071 879212E 03391081 860210E 033863结论本文以成形层厚度作为研究对象，保持热流密度、送丝速度、光斑半径不变，设置成形层厚度为06 mm、0 7 mm、0 8 mm 的 3 种工艺方案，建立了增材制造中单道单层的几何模型，添加了生死单元来模拟激光增材制造打印过程，以高斯面热源来模662023 年第 52 卷机械设计与制造工程拟激光热源。采用数值分析以及实验验证方法，研究了 Ti6A14V 丝材在激光增材制造过程中对温度、应力、应变产生的影响，结合增材制造的热力学特点，得到如下主要结论:1)通过有限元仿真得出熔覆层应力场的应力分布，应力场呈上下对称分布，最大应力分布在横向对称轴区域，并且随时间推移逐渐沿激光扫描速度方向扩大，周围应力呈梯度变化，向外逐渐降低。2)随着成形层厚度的增大，温度峰值、应力、应变都有下降的趋势，在 3 种成形层厚度参数中，成形层厚度为 0 6 mm 时，温度峰值最大，热量积累大同时应力应变最大，成形速度慢;成形层厚度为 0 7 mm 时，温度、应力次之，变形较小;成形层厚度为 0 8 mm 时，成形速度快、热量积累少，且应力峰值仅有 386 MPa。因此，根据成形效率、精度等实际工况，0 8 mm 的成形层厚度最为合适。参考文献:1赵永，黄国安，林雪楠，等 激光过程模拟J 电焊接，2007，37(3):1 4 2程广萍，李明喜，何宜柱，等 激光成形层温度场和应力场的数值模拟 J 热加工工艺，2009，38(4):49 54 3姜秋月 多道激光熔覆应力场的模拟分析J 热加工工艺，2011，40(6):124 128 4孙越，张兆林，刘欣，等 激光熔覆多层涂层温度场的数值模拟 J 电焊机，2021，51(5):61 65，117，118 5胡仁志，母中彦，黄安国，等 激光熔丝增材过程传热流动行为数值模拟J 精密成形工程，2021，13(2):74 80 6郭星晔，黄杰，周正，等 基于双椭圆平面热源模型的 FeCrNi-Mo 激光熔覆热力耦合数值分析J 热喷涂技术，2020，12(4):12 21 7胡仁志，母中彦，黄安国，等 激光熔丝增材过程传热流动行为数值模拟J 精密成形工程，2021，13(2):74 80 8卢彩彬，李新梅，赵海洋 激光熔覆的数值模型研究进展J机电工程，2020，37(10):1151 1157 9石碧，陈雨飞，陆伟，等 高精度激光熔覆工艺的熔池传热仿真 J 机械工程与自动化，2020(5):47 49 10 宋博学，于天彪，姜兴宇，等 激光熔覆产生的熔池温度与对流分析J 东北大学学报(自然科学版)，2020，41(10):1427 1431 11 苏德发，许磊 不锈钢表面激光熔覆 FeCr 涂层热行为数值模拟 J 重庆理工大学学报(自然科学)，2020，34(8):128 133 12 曹炜，曾忠，李合生 快速成形技术及其发展趋势J 机械设计与制造，2006(5):104 10