简介概要

激光快速成形金属薄壁零件的三维瞬态温度场数值模拟

来源期刊：中国有色金属学报2003年第4期

论文作者：席明哲张永忠石力开高士友

文章页码：887 - 892

关键词：ANSYS; 温度场; 316L不锈钢; 数值模拟

Key words：ANSYS software; temperature field; 316L stainless steel; numerical simulation

摘要：利用ANSYS有限元软件中的‘生死单元’技术，建立了与激光快速成形过程一致的三维瞬态薄壁零件温度场计算模型。通过该计算模型，可以掌握成形过程中薄壁零件温度场随时间的变化规律。计算结果表明，金属薄壁零件中，与x方向温度梯度相比， y方向温度梯度占绝对优势，因此在薄壁零件冷却过程中，热量散失主要方向为y方向。激光功率越高， y方向温度梯度也越大，因此形成的枝晶组织就越细长。

Abstract: By using ‘birth and death’ element technology of the ANSYS software, the FEM model simulating the real process of the metal thin wall fabricated by laser direct deposition was established to calculate the 3D transient temperature field in the thin-wall metal part. The temperature field at different time in the thin-wall metal part can be understood by the FEM model. The calculated results show that, the temperature gradient along y direction within the metal thin wall is absolutely predominant compared with the temperature gradient along x direction, thus heat dissipates mainly along y direction during deposition. The higher the laser power, the greater the temperature gradient along y direction of thin-wall metal part, therefore the finer the dendrites.

中国有色金属学报 2003,(04),887-892 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2003.04.014

激光快速成形金属薄壁零件的三维瞬态温度场数值模拟

席明哲张永忠石力开高士友

北京有色金属研究总院复合材料研究中心,北京有色金属研究总院复合材料研究中心,北京有色金属研究总院复合材料研究中心,北京有色金属研究总院复合材料研究中心北京100088 ,北京100088 ,北京100088 ,北京100088

摘要：

利用ANSYS有限元软件中的'生死单元'技术,建立了与激光快速成形过程一致的三维瞬态薄壁零件温度场计算模型。通过该计算模型,可以掌握成形过程中薄壁零件温度场随时间的变化规律。计算结果表明,金属薄壁零件中,与x方向温度梯度相比,y方向温度梯度占绝对优势,因此在薄壁零件冷却过程中,热量散失主要方向为y方向。激光功率越高,y方向温度梯度也越大,因此形成的枝晶组织就越细长。

关键词：

ANSYS;温度场;316L不锈钢;数值模拟;

中图分类号： TG665

作者简介：席明哲(1969),男,高级工程师,博士电话:010625455332236;Email:ximzh@sohu.com;

收稿日期：2002-09-23

基金：国家重点基础研究发展规划项目(G2000672051);

Numerical simulation of 3 D transient temperature field in thin-wall metal parts fabricated by laser direct deposition

Abstract：

By using 'birth and death' element technology of the ANSYS software, the FEM model simulating the real process of the metal thin wall fabricated by laser direct deposition was established to calculate the 3 D transient temperature field in the thinwall metal part. The temperature field at different time in the thinwall metal part can be understood by the FEM model. The calculated results show that, the temperature gradient along y direction within the metal thin wall is absolutely predominant compared with the temperature gradient along x direction, thus heat dissipates mainly along y direction during deposition. The higher the laser power, the greater the temperature gradient along y direction of thinwall metal part, therefore the finer the dendrites.

Keyword：

ANSYS software; temperature field; 316L stainless steel; numerical simulation;

Received： 2002-09-23

金属零件的激光快速成形是1995年美国能源部为制造小批量核武器零件而开始发展的先进制备技术。该技术在无需任何硬质工模具的情况下, 通过高功率激光熔化同步输送的各种金属粉末, 逐点逐层堆积来成形全致密的金属零件, 激光束或沉积基板的运动通过零件实体CAD模型经切片分层处理后形成的二维平面信息来控制 ^{[1,2,3,4,5,6,7,8]} 。激光快速成形过程中, 金属零件能否顺利成形及成形后的组织、性能的优劣直接取决于成形工艺参数的选择。要想正确选择成形工艺参数, 获得形状规整、组织致密和性能优良的成形零件, 就必须掌握快速成形过程中, 金属零件各点温度随时间的变化规律。目前, 采用实验手段来准确把握快速成形过程中金属零件的瞬态温度场, 尚有很大困难, 国内外采用数值模拟手段研究激光快速成形金属零件过程中的瞬态温度场的研究工作尚未见报道。因此, 作者拟用数值模拟的方法获得同轴送粉条件下, 成形过程中金属零件的瞬态温度场, 为正确选择成形工艺参数提供理论依据。

1金属薄壁零件三维瞬态温度场的算法设计

要准确反映成形过程中金属薄壁零件各点温度随时间的变化规律, 就必须建立与实际成形过程相一致的温度场计算模型。要建立这样的温度场计算模型, 就要用到ANSYS有限元软件的高级分析技术中的‘生死单元’技术 ^[9,10] 。图1所示为‘生死单元’技术在求解激光快速成形金属薄壁零件温度场中应用的示意图。如图所示, 当激光束扫描到金属薄壁零件第一层的位置1时, 可以看做是实际激光快速成形过程中, 在位置1处沉积一小段金属材料, 而此时, 由于激光束未扫描到第1层的位置2, 3, 4处, 所以在位置2, 3, 4处, 并没有沉积的金属材料。同样, 在第2, 3层处, 也没有沉积的金属材料。所以, 此时的温度场求解区域为第一层的在位置1处的小段金属加上基板。当激光束扫描过第1层后, 金属薄壁零件的温度场求解域则变为第一层的金属加上基板。那么怎样才能实现随着激光束的移动, 金属薄壁零件的温度场求解域不断扩大呢? 我们用ANSYS软件的‘生死单元’技术来解决上述问题, 即将模型中激光束没有扫描到的单元‘杀死’。但ANSYS程序并不是将‘杀死’的单元从模型中删除, 而是将其刚度矩阵乘以一个很小的因子(因子缺省值为1×10^-6)。死单元的单元载荷将为0, 从而不对载荷向量生效。同样, 死单元的质量、比热容和其他类似效果也设为0值, 死单元的质量和能量不包括在模型求解结果中。当激光束扫描到先前被‘杀死’的单元位置时, 则需要重新激活这些单元。当一个单元被重新激活时, 其刚度、质量、单元载荷等将恢复其原始的数值。因此, 通过ANSYS的‘生死单元’技术, 就可以建立起与激光快速成形过程相一致的金属薄壁零件的温度场计算模型。

2金属薄壁零件有限元模型的建立

由于所研究的金属薄壁零件温度场为三维问题, 为能够准确反映薄壁零件温度场的分布规律, 需要较小的网格尺寸, 以获得足够的计算精度。但为了避免过多的网格划分, 引起计算时间过长, 在有限元网格划分时, 在不锈钢薄壁零件处采用较细网格, 而在模型其他区域采用较粗网格。同时, 由于金属薄壁零件的几何对称性, 故计算中只需建立金属薄壁零件的一半, 采用ANSYS 中的Solid 70 六面体八节点热单元进行网格划分, 如图2所示。所选基板材质为45钢, 尺寸为50 mm×10 mm×5 mm; 金属薄壁零件的材质为316L不锈钢, 尺寸为30 mm×3 mm×1.8 mm。薄壁零件分为6层, 每层厚0.3 mm。

3金属薄壁零件温度场边界条件的确定

边界条件的准确确定是获得准确温度场的前提。根据激光快速成形的原理可知, 在金属薄壁零件成形过程中, 激光束一直处于连续的移动状态, 激光束位置为时间t和坐标系x, y, z的函数。图3所示为激光快速成形金属薄壁零件过程中, 激光束移动轨迹示意图。由于研究对象为金属薄壁零件的温度场, 激光束在z轴方向没有位移, 在成形每1个单层时, 激光束沿x轴进行正向或负向的移动, 当1层成形完后, 激光束沿y轴上升1个层厚。要确定成形过程中激光束的位置, 则要知道成形1个单层激光束所要扫描的距离L(mm), 即金属薄壁零件的长度, 以及激光束移动速度v(mm/s)、层号I(即I为1, 3, 5, …时, 激光束沿X轴正向扫描, I为2, 4, 6, …时, 激光束沿x轴负向扫描)、层厚H(mm)、每层扫描开始位置L_s、基板厚度H₁。知道上述参数后, 就可以按照式(1)确定出激光快速成形过程中, 激光束在任意时刻t(0～L/v)的位置L(x, y, z):

确定出激光快速成形过程中, 激光束在任意时刻t的位置, 就可以以此为根据, 采用ANSYS软件的高级分析技术中的‘生死单元’技术, 编写求解激光快速成形金属薄壁零件三维瞬态温度场的有限元程序。首先, 建立有限元模型, 然后将金属薄壁零件部分的单元杀死, 将激光束扫描到的单元重新激活, 按照式(2)加载。这样, 就可以实现与实际快速成形过程相一致的有限元的温度场计算模型。

1) 激光束作用区域的热边界条件的偏微分方程为

式中 η为材料表面对激光的吸收率; R₀为激光束半径; k为导热系数; Q为激光功率。

2) 激光束作用区域外的热边界条件。

本研究在激光束作用区域以外的模型表面设置1层表面单元SURF152, 计算模型与周围空气的自然对流换热。环境温度t_a为20 ℃, 空气的自然对流换热系数h为10 W/(m²·℃)。其热边界偏微分方程为

3) 由于45钢基板下表面与耐火砖相接触, 将45钢基板下表面处理为绝热状态。

4计算模型中材料热物性参数

在所建立的计算模型中, 共包含2种材料, 即316L不锈钢和45钢, 其热物性参数见文献 [ 10, 11, 12] 。

5316L不锈钢薄壁零件瞬态温度场计算及分析

图4所示为316L不锈钢薄壁零件计算模型纵切面温度场分析示意图。如图所示, 316L不锈钢薄壁零件尺寸为30 mm×3 mm×1.8 mm, 按图3所示扫描方式进行扫描, 共扫描6层, 每层厚度为0.3 mm。点1、点2位于薄壁零件的第3层, 2点间距10 mm, 点1距离薄壁零件左端10 mm。点9、点10位于45钢基板的1/2厚度处, 在x方向上, 分别与点1、点2位置相同, 点3～8分别位于薄壁零件各层, 各点距离薄壁零件左端15 mm。

图5所示为在激光功率900 W、扫描速度3mm/s、光斑直径3 mm条件下, 不同时刻时不锈钢薄壁零件和基板内的温度场分布。图5(a)为成形时间30 s时的温度场云图。如图5(a)所示, 此时, 正在沉积薄壁零件的第3层(沉积1层所用时间为11 s), 可以看出, 随激光束的移动, 薄壁零件中的温度场分布也呈‘运动态’。图5(b)为成形时间60 s时的温度场云图, 与图5(a)相比, 激光束扫描方向发生了改变, 薄壁零件中温度分布发生了明显变化。同时, 薄壁零件的高度也增加了(此时正在沉积薄壁零件的第6层)。对比图5(a)和(b)可以发现, 随激光扫描时间的增加, 基板的温度升高, 熔池的温度也升高。

图6(a)为不锈钢薄壁零件纵切面上点1、点2(图4)的温度随时间的变化曲线。如图所示, 在0～24 s这个时间段, 点1的温度一直保持在室温20 ℃。这是因为在0～24 s内, 激光束未扫描到点1, 其间点1保持‘死状态’, 因此点1温度没有变化。当薄壁零件的第1、第2层成形完后, 开始进行薄壁零件的第3层成形(此时激光束沿x的正方向扫描), 当激光束扫描到点1时, 点1所处的单元被‘激活’, 点1的温度迅速由室温升高到2 205 ℃, 此时激光束还未扫描到点2, 因此点2温度依然保持在室温。随激光束的继续移动, 激光束离开点1并逐渐远离, 点1的温度迅速下降到590 ℃。激光束扫描到点2, 点2所处单元被‘激活’, 点2温度由室温升高到2 215 ℃。随激光束离开点2, 点2温度下降。当薄壁零件的第3层成形完后, 开始薄壁零件的第4层成形(此时激光束沿x的负方向扫描), 所以激光束将先经过点2的上方。可以看到, 当激光束扫描过点2的上方时, 点2的温度由490 ℃快速升高到2 020 ℃, 由于在薄壁零件的第3层上新沉积了第4层, 所以此时点2的温度要比在成形薄壁零件第3层时, 激光束扫描过点2时的温度要低。激光束继续移动到点1的上方, 点1的温度升高, 随激光束的离开, 温度又迅速下降。在成形薄壁零件第5、第6层时, 点1、点2温度随时间的变化情况如图6(a)所示。

图6(b)显示基板纵切面上点9、点10(图4)温度随时间的变化曲线。如图所示, 由于基板内的单元一直处于‘活状态’, 因此, 一开始进行薄壁零件的成形时, 点9、点10的温度就开始变化, 在成形薄壁零件的第1层时, 随激光束沿x的正方向移动, 点9的温度逐渐升高, 当激光束经过点9的正上方时, 点9的温度上升到最高值206 ℃, 在激光束离开点9向点10移动时, 点9的温度开始下降, 而点10温度开始逐渐升高。在成形薄壁零件的第2～6层过程中, 点9、点10的温度总体处于上升状态, 其具体随时间变化情况见图6(b)。

图7所示为薄壁零件纵切面上点3～8(见图4)的温度随时间的变化曲线。如图所示, 在成型薄壁零件的第1层时, 当激光束没有扫描到点3时, 点3温度保持在室温没有变化, 而当激光束扫描经过点3时, 点3处的单元由‘死’变‘活’(与实际成形过程相对应, 表明此时在点3处沉积了1层金属), 点3处的温度迅速上升, 当激光束离开并逐渐远离点3, 点3的温度迅速下降。当激光束扫描过点4时(沿x负向扫描), 点4处的单元由‘死’变‘活’(相当于在点3的上方沉积了1层新的金属), 点4的温度迅速上升, 与此同时, 由于点3处于点4的正下方, 所以点3的温度也迅速上升, 但点3的温度最高值与点4相比要低。在成形薄壁零件的第3～6层的过程中, 点3～8的温度随时间变化的情况如图7所示。

6薄壁零件横截面金相组织分析

图8为快速成形过程中薄壁零件内温度梯度分析示意图。图9(a)所示为功率1 100 W, 扫描速度3 mm/s, 光斑直径3 mm条件下(图8中当激光束扫描过点1时), x和y方向温度梯度沿直线H₁的计算结果分布情况。如图所示, 随与熔池表面距离的增加, y方向温度梯度逐渐下降。同时可以看出, 与x方向温度梯度相比, y方向温度梯度占绝对优势。由此可知, 在熔池冷却过程中, 热量主要沿y方向散失, 因而形成与基板相垂直的枝晶组织。图9(b)所示为激光功率对y方向温度梯度的影响情况, 可见, 随激光功率升高, y方向温度梯度增大。

图10 (a)～(c)所示分别为激光功率为1 100, 900, 700 W(光斑直径3 mm、扫描速度3 mm/s)条件下, 所成形的316L不锈钢薄壁零件(薄壁零件尺寸为 30 mm×3 mm×1.8 mm, 由6层组成, 每层厚0.3 mm)横截面金相组织照片。可见, 3种功率成形的薄壁零件横截面金相组织均由与基板相垂直的枝晶组成, 说明激光熔池在冷却过程中, 热量的散失主要沿垂直于基板y的负方向, 而在与基板平行的x方向, 热量散失较小。表明在激光熔池中, 沿y方向分布的温度梯度较大, 而沿x方向分布的温度梯度较小。对比图10(a)～(c)可以发现, 当光斑直径、扫描速度一样时, 随激光功率升高, 薄壁零件横截面的枝晶组织由短小而变得细长。这种组织上的变化表明, 激光熔池中沿y方向分布的温度梯度随激光功率的升高而变大。结合图9与图10可知, 实验结果与计算结果相符。