题目：金属零件激光快速成形温度场数值模拟

摘 要激光快速成形金属零件技术是近年来发展的一种先进制造技术，与传统的“锻造+机械加工”零件成形工艺相比，具有无需模具、机械加工余量小、材料利用率高、数控加工时间短等优势。在航空航天等工业领域具有重要应用前景。为获得形状规整、组织致密和性能优良的成形零件，就需要掌握激光成形过程中零件温度场的变化规律。本文利用有限元软件ANSYS对块状、板状零件激光快速成形过程温度场进行了建模，总结了该温度场的变化特点，分析了所成形沉积件不同区域温度、冷却速度和温度梯度的差异，并对熔池周边的热量散失进行了定量的统计。（1） 激光快速成形金属零件时，如零件厚度大于熔池直径则需要采用多道搭接激光沉积，并形成搭接区。其形状并不规整，且不易对其施加载荷。本文采用简化的方法利用许多相同的六面体单元累积建立了具有搭接结构的温度场有限元模型，并通过对每个单元进行编号的方式实现了载荷的准确施加。为更加准确地描述激光成形过程，研究搭接区在成形过程中温度场的变化规律提供了一种新的思路。（2） 在有限元计算软件ANSYS的平台上，采用生死算法，利用ANSYS的二次开发工具APDL语言编程对计算过程进行控制，实现了逐个“杀死”、 “激活”每个单元和多载荷步的连续计算。分别计算得到了块状（多层多道搭接）和板状钛合金零件在成形过程中的温度场。（3） 计算结果表明搭接区虽然经历了两次激光直接扫描加热与冷却的热循环过程，但由于冷速高，热量并未发生累积，其所能达到的温度仍低于熔池中部。搭接区在被激光再次扫过时会发生重熔。定量计算了成形过程中熔池周边通过各个方向热传导和经表面对流所散失的热量，发现Z向即向基体的热传导是散热的主要方式，占总散失热量的绝大部分。与热传导相比向周围环境中的对流传热量极少。（4） 根据计算结果总结了激光成形过程中温度场的变化特点，具有快速热循环效应，端际效应和热累积效应。（5） 对不同工艺参数成形过程中的温度场做了对比。在输入总热量相等的条件下，当采用大功率高扫描速度时，熔池会达到较高的最高温度和较大的温度梯度。低扫速低功率时，熔池寿命增长，热量具有较长的时间进行传递，热量不容易累积。又由于功率较低，故而熔池所能达到的最高温度也较低。