摘    要：針對激光增材制造過程, 采用仿真的方式獲取加工過程中各參量隨時間變化的情況。建立了高斯熱源的模型, 主要分析了激光掃描過程中材料的溫度、不同方向的溫度梯度、不同方向的變形量、正應力和屈服應力, 最后分析了冷卻后的溫度、變形和應力分布情況。結果表明:薄壁框由于各方向與空氣接觸面積大小不同, 冷卻的溫度梯度差別大;各方向剛度不同, 會導致變形量不同, 從而對應力的分布造成影響;激光對已成形部分的影響主要位于前幾個掃描周期, 影響程度隨熔池與該節點的距離增大而快速減小;最大單向變形約為2. 5 mm, 最大殘余應力約為560 MPa。

關鍵詞：增材制造;仿真;溫度;應力分布;變形;

增材制造是當今制造領域的一個熱點問題[1], 然而, 由于實際加工中工藝的限制, 在材料、幾何形狀、公差、殘余應力及強度方面生產的制件并不總是可使用的。因此, 在實際加工前采用仿真的方式預演是非常必要的[2,3]。

作為新型制造方法的代表, 增材制造技術提供了生產復雜幾何形狀的能力, 例如內部特征, 這些內部特征難以通過其他任何工藝來創造;然而, 表面質量和精度嚴重阻礙了其進一步的發展, 調整參數過程耗時耗力[4]。Srikanth等[5]采用2D非線性有限元的方式對激光增材制造仿真的溫度場進行了仿真, 隨后又針對3D結構進行了相應的仿真, 分析了不同的激光功率和掃描速度對溫度場及其溫度梯度的影響[6]。Zhao等[7]通過ABAQUS仿真發現激光沉積區域能夠限制基材的塑性變形和材料交界處的正應力。Zhou等[8]提出了一個完整的增材制造模型, 包含了模型設計、參數優化、軌跡規劃和能量及材料消耗, 并且通過閉環反饋進行加工參數優化。增材制造常出現變形, 通過數學模型計算、調整參數, 并通過田口方法進行試驗驗證, 最終結果表明制件的長度、高度和層高對制件的變形有顯著影響[9]。

在應力分布和變形仿真方面, Sonmez和Hahn[10]建立了一個熱力學模型研究增材制造中每一層的溫度和應力分布。為了研究偏移對最小變形的影響, Vatani等[11]采用經典分層理論對每層的力學性質、收縮情況和殘余應力的變化進行建模。為了預測Ti-6Al-4V在電子束激光沉積過程中的熱機械響應, Erik等[12,13]建立了三維熱彈塑性有限元分析模型預測變形和殘余應力。根據歐拉熱計算方法, 高效的有限元模型也被用來分析溫度場和應力場的分布[14]。Michael等[15]的研究集中在結合特定邊界條件和溫度的熱力耦合模型, 以此確定增材制造過程中熱對殘余應力和變形的影響。

綜上, 針對增材制造仿真變形情況及應力已有大量文獻進行了研究, 但是基于整個過程中, 各節點隨加工時間的推移, 其溫度、溫度梯度、變形量及應力分布卻鮮有人進行分析。因此, 本文主要對增材制造過程量進行分析, 揭示在實際加工過程中難以觀測到的微小差異變化, 對上述提到的參量進行分析研究。

1 增材制造仿真建模

增材制造仿真過程的程序流程如圖1所示。

在仿真過程中, 需要建立對應的幾何模型, 網格模型, 材料模型, 熱源模型等。其三維模型可以在各種繪圖軟件中建立, 該仿真是一個四邊形的薄壁框, 長50mm, 寬30 mm, 高40 mm, 薄壁厚度2 mm。然后將模型導入到HyperMesh中, 創建節點進行切片, 分割為一個個的實體文件, 再針對每一個實體進行網格劃分。在該仿真計算中, 網格均為四邊形網格, 一方面是為了進行網格的變形計算, 另一方面由于本模型結構簡單, 四邊形網格可有效的呈現仿真結果。最后將所有劃分好網格的文件導入Simufact。網格劃分模型如圖2所示。

材料建模參考316L不銹鋼的各屬性, 高斯熱源的能量分布如圖3所示。其激光熔覆仿真時聚焦光斑內距離熱源中心r處的熱流密度為:

式中:rh是激光束在基材上形成加熱光斑的半徑。

模型建立之后, 規劃激光熱源的掃描軌跡, 設定需要重點分析的節點, 設置激光的掃描速度, 光斑大小、每掃描一周后的冷卻時間, 最終經過仿真計算后輸出各節點的結果。

2 結果與分析部分

2.1 溫度隨時間的變化分析

選取激光增材制造過程中的一個節點P1 (見圖2) , 連續對仿真過程中的溫度進行測量, 能夠得到中心區域隨加工時間變化的曲線, 如圖4所示。

由于薄壁框各個方向的散熱速度是不均勻的, 因此選取前面的溫度測試點對X、Y、Z三個方向的溫度梯度進行分析, 如圖5所示。

由圖5可以發現, 溫度梯度的區別主要發生在前4個掃描周期。在激光掃描至該點的幾秒鐘內, 各個方向的溫度梯度差別非常大。在該點所在平面的垂直方向, 即Y向, 溫度梯度均是正的, 而平面所在X方向和薄壁高Z向的溫度梯度則是有正有負。這也驗證了, 結構不完全對稱時, 各個方向的散熱速度不同。

所以, 通過對溫度梯度的分析, 可以在實際制件加工后, 對微觀晶粒的排布方向進行對照分析。且根據文獻[16]發現晶粒大致是沿著散熱方向排列的。

2.2 制件的變形情況分析

激光增材制造的過程中, 變形的情況極易發生, 但是由于實際加工過程中激光的高溫及強輻射, 難以對變形量進行實時的測量分析。這里, 我們選取了拐角處的一個節點P2 (見圖2) , 連續記錄了該點在整個增材制造過程仿真中的變形情況, 如圖6所示。

由圖6可知, 該點在XYZ三個方向的變形量是不同的。明顯可以看出, 在X方向和Y方向的變形量是接近于對稱的, 這是因為薄壁框是矩形結構, 拐角處節點在X向和Y向的支撐剛度接近于相等。所以在激光掃描過程中, 變形量都迅速增大至約100μm。但是在激光增材制造掃描結束后, 冷卻階段, 由于兩個方向微弱的剛度差, 還會導致變形量出現微小差異。而Z方向的變形量較大, 則是因為在高度方向沒有過多的限制且剛度極小, 應力的存在會導致該點向Z方向發生變形, 所以Z向的變形量較大?？傮w變形指的是XYZ三個方向的代數和。綜合分析后, 由于在X向和Y向的變形量大致相同, 方向相反, 最后出現總體變相量數值大小與Z方向的變形量較為接近。

2.3 應力應變情況分析

首先, 同樣選擇P2點分析在激光掃描過程中正應力的變化情況, 如圖7所示。發現3個方向的應力隨時間的變化基本相同, 在一開始出現了壓應力, 隨著激光掃描的周期性循環, 變為拉應力, 當激光掃描結束后冷卻的過程中均轉變為壓應力。由于各方向剛度的不同, 壓應力值大小也稍有不同。

屈服應力的變化如圖8所示。可以發現, 在前幾個掃描周期內, 屈服應力的值呈周期性增大。當增大至約400 MPa時, 最大屈服應力不再隨著激光掃描的進行而改變, 只有當激光掃描至該點正上方區域時, 應力值會因為溫度的突然升高而出現短暫的減小, 然后快速回到約400 MPa。當加工過程結束后, 因為冷卻過程的收縮現象會出現屈服應力的進一步增大, 最終達到約500 MPa。

與屈服應力變化相對應的是該處等效應變率的變化情況, 如圖9所示。根據圖8發現只有前3個掃描周期應力增大, 而等效應變率也只在約前100 s的掃描時間內有變化, 在第一個周期內約0.01, 第二個周期內增大至0.03, 經過第三周期達到0.04, 但是在后面的掃描過程中等效應變率幾乎不變化, 幾乎保持恒定。

綜上亦可以發現, 激光掃描過程中由于熔池深度有限, 并且根據每周期掃描Z軸抬升量的設定, 對某節點分析時, 主要針對前3～4個掃描周期, 后面的影響相對較小。

2.4 增材制造冷卻后結果分析

圖2中薄壁框的其中一面 (面1) 用來分析激光增材制造過程的變形量, 如圖10所示。

可以發現, Y向的變形較為均勻, 但是X向和Z向均是左側的變形較大, 右上角變形量較小。這是因為當激光掃描周期結束后, 在左側抬升一定高度, 然后開始進行下一個周期的掃描。在左側會有大量的突刺, 在仿真計算過程中, 由于網格大小及數量限制, 不能無限細化, 因此出現突刺, 會對結果造成一定的干擾, 并且突刺的形成也與激光抬升的位置有關, 主要集中于此處。

冷卻后的有效應力分布和屈服應力分布分別如圖11和圖12所示。

可以發現, 同樣是激光抬升部位及其附近的有效應力值較大, 靠近基材部分的應力較大, 逐漸向右上角呈應力減小的趨勢。最大應力值約為563 MPa, 薄壁框中間部分的應力值約為200～300 MPa。

可以發現, 同樣是激光抬升部位及其附近的有效應力值較大, 靠近基材部分的應力較大, 逐漸向右上角呈應力減小的趨勢。最大應力值約為563 MPa, 薄壁框中間部分的應力值約為200～300 MPa。

屈服應力的分布與有效應力不同, 主要集中在除了頂部數層之下的大部分區域, 且分散排布。該情況可能是因為靠近頂端, 與空氣接觸面積大, 剛度小, 冷卻時散熱快并且應力會隨著變形的發生而減小。然而, 中部的應力卻難以隨著變形的發生而消散, 因此, 大量的屈服應力分散在該大片區域。且最大屈服應力約為561 MPa。

屈服應力的分布與有效應力不同, 主要集中在除了頂部數層之下的大部分區域, 且分散排布。該情況可能是因為靠近頂端, 與空氣接觸面積大, 剛度小, 冷卻時散熱快并且應力會隨著變形的發生而減小。然而, 中部的應力卻難以隨著變形的發生而消散, 因此, 大量的屈服應力分散在該大片區域。且最大屈服應力約為561 MPa。

綜合分析后, 發現制件冷卻后有較大的應力存在, 這將極大地影響制件的使用壽命, 所以采取適當的方式來減小或消除應力是極為重要的。

3 結語

對激光增材制造的過程進行了仿真, 主要針對其中一個節點進行各參量隨時間變化的分析。發現該過程中存在類似多次回火的加熱情況, 各方向由于結構不同其溫度梯度差異巨大。對稱位置XY方向的變形較為一致, 但是各方向剛度不同最終會導致變形量分布不同。激光抬升處的各項性能均差于其他區域, 加工過程及冷卻過程中的收縮現象會導致出現較大的有效應力和屈服應力。激光對已加工部分的影響主要位于前幾個掃描周期, 影響程度隨距離的增大迅速減小。

文章來源制造技術與機床.