激光增材制造316L不銹鋼工藝參數(shù)優(yōu)化模擬分析研究 材料學(xué)專業(yè)

目錄TOC\o"1-3"\h\u3472摘要 （（g）（h）（（i）圖3.8九組仿真實驗云圖結(jié)果第一組(a)第二組(b)第三組(c)第四組(d)第五組(e)第六組(f)第七組(g)第八組(h)第九組(i)利用ANSYS后處理命令，將云圖顯示最大殘余應(yīng)力區(qū)域中的點提取出來，得到這些點的最大應(yīng)力值即可得到整個熔覆層最大殘余應(yīng)力，制成表3.2，進(jìn)行正交實驗結(jié)果分析。這里采用的是利用極差的方法來直觀分析正交實驗數(shù)據(jù)。其中：K1j(j=1,2,3)分別對應(yīng)的是激光功率（因素1），掃描速度（因素2），光斑直徑（因素3）在第一水平值所在實驗中的殘余應(yīng)力值之和。類似的K2j(j=1,2,3)分別對應(yīng)的是激光功率（因素1），掃描速度（因素2），光斑直徑（因素3）在第二水平值所在實驗中的殘余應(yīng)力值之和；K3j(j=1,2,3)分別對應(yīng)的是激光功率（因素1），掃描速度（因素2），光斑直徑（因素3）在第三水平值所在實驗中的殘余應(yīng)力值之和。k1,k2,k3這3行的3個數(shù)，分別是K1,K2,K3這3行中的3個數(shù)的平均值。K1,K2,K3這三個數(shù)字代表著當(dāng)不考慮其他因素的影響時，激光功率和掃描速度與光斑直徑中某個單一因素對熔覆層中殘余應(yīng)力的影響。由于正交實驗表的正交性質(zhì)，可以認(rèn)為另外兩個因素的影響可以相互抵消的。其中表格具體內(nèi)容如表3.2所示：表3.2仿真實驗正交實驗結(jié)果試驗號激光功率/w掃描速度mm/s光斑直徑/mm等效殘余應(yīng)力/MPa等效應(yīng)力mpa160051.52392600102.52043600152260480052.524458001022576800151.5253710005220281000101.523591000152.5257K1703685727\K2754696719\K3694770705\k1234228242\k2251232240\k3231257235\極差20297\（（a）激光功率對殘余應(yīng)力的影響（b）掃描速度對殘余應(yīng)力的影響（（c）光斑直徑對殘余應(yīng)力的影響圖3.9殘余應(yīng)力與因素的關(guān)系圖激光功率（a）掃描速度（b）光斑直徑（c）極差是同一列，k1,k2,k3中3個數(shù)的最大值減去最小值之差。極差表示的意義為：當(dāng)某一因素發(fā)生變化的時候，所對應(yīng)的實驗指標(biāo)的波動程度，極差越大，說明這個因素的水平改變時對試驗指標(biāo)的影響越大。極差最大的那一列，所對應(yīng)的那個因素就是主要因素。顯然從表3.2和圖3.9可以得出，激光掃描速度對應(yīng)的極差值最大，所以掃描速度是影響熔覆層殘余應(yīng)力的最主要因素；激光功率所對應(yīng)的極差值排第二，所以激光功率是影響殘余應(yīng)力的第二因素；光斑直徑對殘余應(yīng)力的影響最小，因為其對應(yīng)的極差值最小。綜上所述，對于熔覆層上殘余應(yīng)力的調(diào)控，首先考慮的是掃描速度，其次考慮激光功率，最后考慮激光光斑直徑。通過正交實驗的結(jié)果來選擇最優(yōu)的激光增材制造參數(shù)組合。本文要求熔覆層上殘余應(yīng)力值為最小，所以要尋找激光功率，掃描速度和光斑直徑所對應(yīng)的最小的k值。根據(jù)表3.2中的結(jié)果，即這三個參數(shù)的重要程度，首先選擇掃描速度的k1值即掃描速度的第一水平值；再選擇激光功率的k3值即第三水平值；最后選擇光斑直徑的k2值。綜上所述，綜合三個主要因素之后，激光近凈成形316L不銹鋼材料的最優(yōu)參數(shù)組合是：掃描速度5mm/s，激光功率1000w，光斑直徑2.5mm。 這組實驗參數(shù)與第七組實驗參數(shù)比較接近，而第七組實驗結(jié)果是這九組實驗結(jié)果中最小，可以間接說明正交實驗結(jié)果的合理性。3.5優(yōu)化結(jié)果的驗證與分析將激光功率1000w，掃描速度5mm/s，光斑直徑2.5mm這組實驗參數(shù)再進(jìn)行一次仿真實驗，來驗證這組實驗參數(shù)成形的熔覆層上的殘余應(yīng)力值是否為最小。經(jīng)過再次進(jìn)行仿真實驗得到下圖3.10所示的實驗結(jié)果。圖3.10優(yōu)化參數(shù)的仿真驗證結(jié)果圖3.10優(yōu)化參數(shù)的仿真驗證結(jié)果根據(jù)圖3.10顯示的結(jié)果，優(yōu)化激光工藝參數(shù)模擬成形的熔覆層上殘余應(yīng)力分布均勻，而且根據(jù)等效殘余應(yīng)力云圖顯示結(jié)果，最大殘余應(yīng)力依然出現(xiàn)在熔覆層中間位置，所以依然研究路徑1與路徑2上各點殘余應(yīng)力大小。圖3.11顯示了路徑1與路徑2上各位置點的殘余應(yīng)力值。(a)(b)(a)(b)圖3.11路徑1(a),2(b)上各點的殘余應(yīng)力圖3.11路徑1(a),2(b)上各點的殘余應(yīng)力綜合考慮圖3.10中的云圖分布結(jié)果與圖3.11中路徑1,2上各點的殘余應(yīng)力值，可以看出在熔覆層整個區(qū)域內(nèi)最大的殘余應(yīng)力值為192MPa,將優(yōu)化后的仿真實驗顯示在表3.3中。表3.3優(yōu)化后仿真實驗結(jié)果激光功率/w掃描速度/(mm/s)光斑直徑/mm殘余應(yīng)力/MPa優(yōu)化后100052.5192 綜上所述，對比表3.2和表3.3可知，采用優(yōu)化后激光工藝參數(shù)組合進(jìn)行仿真的結(jié)果比九組正交實驗的殘余應(yīng)力結(jié)果都要小，達(dá)到了預(yù)期的目的。對于以上優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析，可以得出以下殘余應(yīng)力與激光功率，掃描速度和光斑直徑之間的變化趨勢：從圖3.9（2）可以看出，隨激光掃描速度的增大，熔覆層殘余應(yīng)力值也隨之增大，而且兩者之間存在著正相關(guān)關(guān)系，這個趨勢主要可以從溫度梯度的角度來解釋。這是因為激光光源的速度越快，激光在某一位置停留的時間就會越短，在成形區(qū)域產(chǎn)生的溫度梯度也就會越大，極易產(chǎn)生極大的殘余應(yīng)力。分別將激光功率600w，800w和1000w中的三組實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在九組實驗中，當(dāng)激光光源照射到熔覆層中間位置時（y=15mm），對沿著路徑1（圖3.3b）上的溫度梯度值進(jìn)行分析。根據(jù)之前正交實驗的結(jié)果，激光光斑直徑的大小對殘余應(yīng)力的影響是最小的，也推知光斑直徑對溫度梯度的影響最小，所以這九組實驗可以近似的認(rèn)為是在某一激光功率下（600w，800w，1000w），不同掃描速度在掃描過程中，對同一位置的溫度梯度值的影響。圖3.11P=600w,不同掃描速度在路徑1上的溫度梯度值圖3.11P=600w,不同掃描速度在路徑1上的溫度梯度值圖3.12P=800w,不同掃描速度在路徑1上的溫度梯度值圖3.12P=800w,不同掃描速度在路徑1上的溫度梯度值圖3.13P=1000w,不同掃描速度在路徑1上的溫度梯度值圖3.13P=1000w,不同掃描速度在路徑1上的溫度梯度值從圖3.11，3.12和3.13都可以明顯的看出來，在激光功率為定值的情況下（600w，800w，1000w），隨著掃描速度的增大（5mm/s，10mm/s，15mm/s），對應(yīng)的溫度梯度值在整體趨勢上也是逐漸升高的。在某些位置會出現(xiàn)不符合這一規(guī)律的情況，這是不同光斑直徑所引起的。所以可以得出掃描速度越大，產(chǎn)生的溫度梯度值也就會越大，在單位距離內(nèi)溫度變化也就會更加劇烈，由于溫度變化引起的熱變形越大，之后冷卻后殘余應(yīng)力也就會越大。第二個趨勢是功率在600w-800w的范圍內(nèi)，激光功率的增加會使殘余應(yīng)力增大，這是因為隨著激光功率的增加，熔覆層吸收的熱量增多，熱量的聚集導(dǎo)致熔覆層上溫度升高，溫度梯度變大，所以冷卻之后殘余應(yīng)力增大。但是隨著激光功率的繼續(xù)增大（激光功率在800w-1000w）,殘余應(yīng)力又會減小。這是因為隨著功率的提高，整個成形區(qū)吸收的熱量也會增多，溫度升高，而316L不銹鋼材料的導(dǎo)熱性系數(shù)會隨著溫度的升高為變大（從表2.1可以看出，當(dāng)溫度升高到316L不銹鋼材料的熔點時，此時的導(dǎo)熱系數(shù)幾乎是初始溫度時候的兩倍），所以這些的熱量可以很好的擴散到整個成形區(qū)，整個區(qū)域的溫度也更加均勻，較少不均勻熱變形的產(chǎn)生，殘余應(yīng)力也就會減少。第三個趨勢是，隨著激光光斑直徑的減少，殘余應(yīng)力會減小。這里的原因是隨著激光半徑的增大，整個激光覆蓋范圍的激光能量密度會相應(yīng)的減少，所以單位面積的熔覆層吸收的熱量也會減少，整個成形區(qū)域的溫度梯度會變小，殘余應(yīng)力也會減小。

第4章結(jié)論本文利用ANSYS建立單道熔覆道模型，模擬激光近凈成形的過程，并對溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：通過溫度場的計算研究得出：激光增材制造過程中的熔池形狀成有著拖尾的“彗星”狀，而且隨著光斑中心的移動，被激光熱源覆蓋到的點的溫度會迅速升高；當(dāng)激光熱源離開，溫度會迅速降低，這體現(xiàn)了激光增材制造過程中快冷快熱的特點。對于溫度梯度，最大溫度梯度值出現(xiàn)在熔覆層與基材結(jié)合的部位；在熔覆層寬度方向，溫度梯度呈對稱分布。（2）通過應(yīng)力場的計算研究得出：經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)最大等效應(yīng)力VonMises出現(xiàn)在熔覆層表層位置，而且等效應(yīng)力關(guān)