高密度激光制造过程液/气界面演化研究

• 作 者: 葛志福
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院大学
• 发表日期: 2013年期
• 关键词: 激光制造 液气界面演化 激光熔覆 激光打孔 表面几何质量

高密度激光精密制造技术的发展对工件表面几何质量控制提出了更高的要求。液/气界面是激光与材料相互作用过程中的质量和能量交换面，影响工件力学性能，并且凝固的液/气界面决定工件表面几何状态，限制其使用条件。本文对激光熔覆、激光打孔两类典型材料添加和去除过程进行研究，分析其物理现象，利用Level-set（水平集）方法，结合能量、质量输运方程，建立数学模型，对激光与材料相互作用过程中的液/气界面演化进行了描述。结合实验，分析了激光材料添加和去除过程中界面形态的影响因素。　　
本文的研究成果和主要的结论如下:　　
1.考虑同步送粉式激光熔覆过程中粉末与激光的相互作用，建立粉末颗粒温升模型、粉末激光衰减模型，利用Level-set方法，模拟了激光熔覆过程熔覆道的生长，预测了功率、扫描速度、送粉率对熔覆层的影响。探讨了多层激光熔覆过程的热历程，在第一层熔覆时期，加热速率大致104K/s，冷却速率为-103K/s，随着层高的增加，加热速率和冷却速率均下降。计算了不同搭接率下的熔覆层形貌。数值计算结果的熔覆道形貌与实验观测结果吻合较好。　　
2.采用高速摄影对高密度激光与材料去除过程熔池形成和匙孔演化的机理进行观测。激光与材料作用使得材料表面液/气(L/V)界面材料剧烈气化，产生的反冲压力作为主要作用因素，驱动熔融液体沿熔池固/液(S/L)边界向上运动，形成集中物质溅射。气化和溅射造成的材料损失引发L/V界面的向下发展。匙孔壁面由于激光能量的多重反射而温度升高，匙孔扩大。　　
3.利用Level-set方法，综合考虑气化和熔融液体溅射造成的质量和能量损失，建立了激光打孔过程的数值模型。基于激光打孔实验提出重分布系数表达形式，拟合因激光光斑沿传输方向变化及孔壁面多重反射造成的激光能量分布变化。在不同离焦量下进行激光打孔模拟计算，所获得孔形和实验结果相近。激光打孔中孔形的变化受光束传输和多重反射造成能量集中共同作用的影响。