基于超声振动辅助的熔覆层截面形貌计算方法.pdf

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1、(19)国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202211173204.6 (22)申请日 2022.09.26 (71)申请人 扬州大学 地址 225009 江苏省扬州市大学南路88号 (72)发明人 柴青韩雨杨竺志大寇海江 曾励张帆杨坚 (74)专利代理机构 南京苏高专利商标事务所 (普通合伙) 32204 专利代理师 张弛 (51)Int.Cl. G06F 17/18(2006.01) (54)发明名称 一种基于超声振动辅助的熔覆层截面形貌 计算方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于超声振动辅助的熔 覆层截面形貌计算方法, 进行激。

2、光熔覆; 对激光 熔覆的加工区域进行离散化处理, 每个离散单元 作为一个元胞; 构建粉末束流模型; 以超声振动 辅助下进行激光熔覆时存在的物理过程构建热 源模型; 根据粉末束流模型和热源模型得到每个 元胞的状态, 元胞状态包括相态和温度; 基于元 胞自动机根据超声振动辅助下熔覆层的温度传 递规则和即时元胞状态计算下一时刻的元胞状 态, 实现元胞状态更新; 基于超声振动辅助改进 液滴成形方法, 计算熔覆层元胞分布, 得到熔覆 层的截面形貌。 通过结合元胞自动机方法和振动 作用下的液滴成形理论, 建立更加完善的熔覆层 截面轮廓计算模型, 实现熔覆层截面形貌的准确 计算。 权利要求书2页 说明书6页。

3、 附图4页 CN 115618189 A 2023.01.17 CN 115618189 A 1.一种基于超声振动辅助的熔覆层截面形貌计算方法, 其特征在于, 包括以下步骤: (1)对基底加载超声振动; (2)四通道同轴送粉喷头将激光束及粉末束喷射至基底表面形成熔覆层, 进行激光熔 覆; 对激光熔覆的加工区域进行离散化处理, 每个离散单元作为一个元胞; (3)构建描述四通道送粉喷头下四个粉末束流浓度分布的粉末束流模型; (4)以超声振动辅助下进行激光熔覆时存在的物理过程构建热源模型; (5)根据粉末束流模型和热源模型得到每个元胞的状态, 元胞状态包括相态和温度; (6)基于元胞自动机根据超声振。

4、动辅助下熔覆层的温度传递规则和即时元胞状态计算 下一时刻的元胞状态, 实现元胞状态更新; (7)基于超声振动改进液滴成形方法, 根据液态元胞的铺展过程, 计算熔覆层元胞分 布, 得到熔覆层的截面形貌。 2.根据权利要求1所述的熔覆层截面形貌计算方法, 其特征在于, 所述基底采用35CrMo 材料, 所述步骤(1)中先对35CrMo基底材料进行固有频率测定, 或将35CrMo基底材料设计成 特定形状使其具有特定的固有频率, 其固有频率为15kHz或20kHz。 3.根据权利要求1所述的熔覆层截面形貌计算方法, 其特征在于, 所述步骤(3)中, 四通 道送粉喷头下四个粉末束的中心不重合, 粉末束流。

5、浓度分布的表达式为: 其中, Pconf、 Pconb、 Pconl、 Pconr分别为四个粉末束流的浓度分布, Pcon为水平基底上的 粉末质量浓度, pconF/S为进入每个单位长度熔融池的粉末量; F是送粉速率, S是扫描速 度, H是四通道同轴送粉喷头与水平基底表面之间的垂直距离, 是粉末束流背离角的一半, 是同轴粉末喂料器轴与水平基底之间的角度。 4.根据权利要求3所述的熔覆层截面形貌计算方法, 其特征在于, 激光作为热源对粉末 进行热输入, 激光热源功率密度q(t)s表达式为: 权利要求书 1/2 页 2 CN 115618189 A 2 其中, P为激光功率, 为粉末对激光能量的。

6、衰减率, x和y分别表示元胞空间中当前元胞 的位置, r为激光光斑半径, Vx为激光沿X轴方向运动速度, Vy为激光沿Y轴方向运动速度, t为 激光运行时间, a为元胞尺寸。 5.根据权利要求4所述的熔覆层截面形貌计算方法, 其特征在于, 加载的超声振动对熔 覆层产生热效应, 超声振动的功率密度qU表达式为: qU2aN1015f2(2 csfA)2/(2 cs) 其中, N为超声波吸收系数常量, cs为超声波的传播速度, f为振动频率, 粉末材料密度, A为振幅。 6.根据权利要求5所述的熔覆层截面形貌计算方法, 其特征在于, 超声振动辅助激光熔 覆过程中, 熔覆层除了吸收激光和超声振动的能。

7、量, 还存在熔覆层和空气间的辐射和对流 导致的能量损失, 则熔覆层粉末的温升为: Tx,y,k(qs+qUqconvqrad)a2t/(c a3) 其中, Tx,y,k是位置为(x,y,k)处元胞温度变化值, qs是激光功率密度, qconv是对流散热 损失能量的功率密度, qrad是辐射散热损失能量的功率密度, c为比热容, 粉末材料密度。 7.根据权利要求1所述的熔覆层截面形貌计算方法, 其特征在于, 所述步骤(7)中, 所述 液滴成形方法描述了熔滴的总能E, 表达式为: 其中, SV表示固气表面自由能, SL表示固液表面自由能, LV表示液气表面自由 能; ALV表示液气界面的各个元胞的。

8、边界面积, ASV表示固液界面的各个元胞的边界面积, i 是液体的密度, g是重力加速度常量, vl是液态元胞的体积, zl是液态元胞的质心高度。 8.根据权利要求7所述的熔覆层截面形貌计算方法, 其特征在于, 当E最小时, 得到熔覆 层元胞的最终分布, 根据熔覆层元胞分布, 得到熔覆层的截面形貌。 权利要求书 2/2 页 3 CN 115618189 A 3 一种基于超声振动辅助的熔覆层截面形貌计算方法 技术领域 0001 本发明涉及激光熔覆, 具体是涉及一种基于超声振动辅助的熔覆层截面形貌计算 方法。 背景技术 0002 激光熔覆技术在部件加工中的应用越来越多。 然而, 熔覆过程中熔池温度。

9、的快速 变化会导致熔覆层质量欠佳。 35CrMo钢的碳当量值Ceq0.72, 焊接性不良, 激光熔覆时 其硬倾向较大, 热影响区热裂和冷裂倾向都会较大。 在35CrMo基底上进行激光熔覆时, 熔覆 层的热影响区的显微硬度较高, 但是热影响区也容易产生裂纹。 没有超声振动的热影响区 产生的裂纹较多, 除了会产生较大的主裂纹, 还会有若干细小的微裂纹。 超声振动辅助激光 熔覆技术的研究可以提高熔覆层加工质量, 对拓展激光熔覆技术的应用具有推动作用。 0003 超声振动在激光熔覆过程中会产生声流和空腔效应, 通过改变凝固过程中的低光 度和核化率来影响熔融金属的结晶。 超声波在改善金属凝固结构和减少内。

10、部毛孔方面显示 出强大的技术优势。 目前, 一些研究针对超声振动的功率或频率对激光熔覆的影响逐步展 开, 但是涉及的振动参数相对较少, 更多的振动参数对熔覆层质量和形貌的影响需要进一 步探索。 此外, 基底材料的振动规律不确定, 超声波能量不能充分传递到熔覆层的熔池中。 大部分研究局限于微观结构和力学性能等方面。 超声振动影响熔覆层宏观形貌方面的研究 很少, 这将会对超声振动辅助激光熔覆技术的加工精度产生制约。 另外, 目前关于超声振动 辅助激光熔覆技术的研究主要为实验研究, 数值模拟方面的研究严重不足。 计算模型的建 立是推动超声振动辅助激光熔覆技术发展的有效动力。 发明内容 0004 发明。

11、目的: 针对以上缺点, 本发明提供一种计算准确的基于超声振动辅助的熔覆 层截面形貌计算方法。 0005 技术方案: 为解决上述问题, 本发明采用一种基于超声振动辅助的熔覆层截面形 貌计算方法, 包括以下步骤: 0006 (1)对基底加载超声振动; 0007 (2)四通道同轴送粉喷头将激光束及粉末束喷射至基底表面形成熔覆层, 进行激 光熔覆; 对激光熔覆的加工区域进行离散化处理, 每个离散单元作为一个元胞; 0008 (3)构建描述四通道送粉喷头下四个粉末束流浓度分布的粉末束流模型; 0009 (4)以超声振动辅助下进行激光熔覆时存在的物理过程构建热源模型; 0010 (5)根据粉末束流模型和热。

12、源模型得到每个元胞的状态, 元胞状态包括相态和温 度; 0011 (6)基于元胞自动机根据超声振动辅助下熔覆层的温度传递规则和即时元胞状态 计算下一时刻的元胞状态, 实现元胞状态更新; 0012 (7)基于超声振动改进液滴成形方法, 根据液态元胞的铺展过程, 计算熔覆层元胞 说明书 1/6 页 4 CN 115618189 A 4 分布, 得到熔覆层的截面形貌。 0013 进一步的, 所述基底采用35CrMo材料, 所述步骤(1)中先对35CrMo基底材料进行固 有频率测定, 或将35CrMo基底材料设计成特定形状使其具有特定的固有频率, 其固有频率 为15kHz或20kHz。 0014 进一。

13、步的, 所述步骤(3)中, 四通道送粉喷头下四个粉末束的中心不重合, 粉末束 流浓度分布的表达式为: 0015 0016 其中, Pconf、 Pconb、 Pconl、 Pconr分别为四个粉末束流的浓度分布, Pcon为水平基 底上的粉末质量浓度, pconF/S为进入每个单位长度熔融池的粉末量; F是送粉速率, S是 扫描速度, H是四通道同轴送粉喷头与水平基底表面之间的垂直距离, 是粉末束流背离角 的一半, 是同轴粉末喂料器轴与水平基底之间的角度。 0017 进一步的, 激光作为热源对粉末进行热输入, 激光热源功率密度q(t)s表达式为: 0018 0019其中, P为激光功率, 为粉。

14、末对激光能量的衰减率, x和y分别表示元胞空间中当 前元胞的位置, r为激光光斑半径, Vx为激光沿X轴方向运动速度, Vy为激光沿Y轴方向运动速 度, t为激光运行时间, a为元胞尺寸。 0020 加载的超声振动对熔覆层及基底产生热效应, 超声振动的功率密度qU表达式为: 0021 qU2aN1015f2(2 csfA)2/(2 cs) 0022 其中, N为超声波吸收系数常量, cs为超声波的传播速度, f为振动频率, 为粉末材 料密度, A为振幅。 0023 超声振动辅助激光熔覆过程中, 熔覆层除了吸收激光和超声振动的能量, 还存在 熔覆层和空气间的辐射和对流导致的能量损失, 则熔覆层粉。

15、末的温升为: 0024 Tx,y,k(qs+qUqconvqrad)a2t/(c a3) 0025 其中, Tx,y,k是位置为(x,y,k)处元胞温度变化值, qs是激光功率密度, qconv是对 流散热损失能量的功率密度, qrad是辐射散热损失能量的功率密度, c为比热容, 为粉末材 说明书 2/6 页 5 CN 115618189 A 5 料密度。 0026 进一步的, 所述步骤(7)中, 所述液滴成形方法描述了熔滴的总能E, 表达式为: 0027 0028 其中, SV表示固气表面自由能, SL表示固液表面自由能, LV表示液气表面 自由能; ALV表示液气界面的各个元胞的边界面积,。

16、 ASV表示固液界面的各个元胞的边界面 积, i是液体的密度, g是重力加速度常量, v l是液态元胞的体积, zl是液态元胞的质心高度。 当E最小时, 得到熔覆层元胞的最终分布, 根据熔覆层元胞分布, 得到熔覆层的截面形貌。 0029 本发明中熔覆层质量分析步骤为: 0030 采用电火花线切割技术(EDM)对单道熔覆层的横截面进行切割。 使用体视显微镜 观察熔覆层截面形貌。 从每条轨道上切割并测量三个横截面的尺寸参数并取平均值。 采用 样条曲线对熔覆层截面形貌拟合后进行接触角和截面积的测算。 0031 激光熔覆的试样经切割、 磨削、 抛光、 腐蚀后, 进行微观组织的金相观察和分析。 抛 光后。

17、的样件采用数字显微硬度测试仪进行熔覆层的显微硬度测试。 0032 有益效果: 本发明相对于现有技术, 其显著优点是通过结合元胞自动机方法和液 滴成形理论, 建立超声振动辅助下更加完善的熔覆层截面轮廓计算模型, 激光熔覆时基底 材料和超声振动装置的共振, 超声振动的能量能更充分的传递到熔覆层的熔池中, 超声振 动的规律也更容易控制, 实现熔覆层截面形貌的准确计算。 附图说明 0033 图1是本发明熔覆截面形貌计算流程示意图; 0034 图2是本发明进行激光熔覆的装置结构示意图; 0035 图3是本发明中35CrMo专用基底剖视图; 0036 图4(a)是本发明中无振动功率时熔覆层的截面形貌图、 。

18、图4(b)是本发明中振动功 率为260W时熔覆层的截面形貌图、 图4(c)是本发明中振动功率为520W时熔覆层的截面形貌 图、 图4(d)是本发明中振动功率为780W时熔覆层的截面形貌图; 0037 图5是本发明中不同振动功率下熔覆层的微观组织; 0038 图6是本发明中不同振动功率下熔覆层的显微硬度; 0039 图7是本发明中不同振动功率下熔覆层热影响区的裂纹分布。 具体实施方式 0040 如图1所示, 本实施例中一种激光熔覆的熔覆层截面形貌计算方法, 包括以下步 骤: 0041 (1)对基底1加载共振频率的超声振动; 基底1采用35CrMo材料, 先对35CrMo基底材 料进行固有频率测定。

19、, 或将35CrMo基底材料设计成特定形状使其具有特定的固有频率, 其 固有频率为15kHz或20kHz。 0042 为了使基底1保持共振, 采用有限元法计算基底的模态频率和振型。 使用Abaqus软 件, 建立专用基底的有限元模型, 使用三维应力单元C3D4对专用基底进行网格划分, 并基于 小于1的频率收敛准则对网格进行细化。 考虑到有限元计算的准确性和效率, 选择 说明书 3/6 页 6 CN 115618189 A 6 Lanczos方法提取专用基底的模态特征。 根据有限元分析结果, 专用基底的固有频率为 19.737kHz, 接近超声系统的谐振频率20kHz。 0043 再将专用基底与。

20、超声振动换能器2采用M12*1.75的螺栓紧固连接, 使其能在超声 振动作用下与换能器产生共振; 0044 接着从换能器的振动节点将超声振动装置3固定在激光熔覆设备的工作台上。 0045 (2)采用激光熔覆设备在振动的35CrMo基底上进行熔覆, 四通道同轴送粉喷头将 激光束5及粉末束6喷射至基底表面形成熔覆层4, 进行激光熔覆; 对激光熔覆的加工区域进 行离散化处理, 每个离散单元作为一个元胞; 0046 (3)构建粉末束流模型, 粉末束流模型描述四通道送粉喷头下四个粉末束流浓度 分布; 四通道送粉喷头下四个粉末束的中心不重合, 粉末束流浓度分布的表达式为: 0047 0048 其中, Pc。

21、onf、 Pconb、 Pconl、 Pconr分别为四个粉末束流的浓度分布, Pcon为水平基 底上的粉末质量浓度, pconF/S为进入每个单位长度熔融池的粉末量(F是送粉速率, 本实 施例中F为1.0r/min, V是扫描速, 采用300mm/min); H是四通道同轴送粉喷头与水平基底表 面之间的垂直距离, 是粉末束流背离角的一半, 是同轴粉末喂料器轴与水平基底之间的 角度。 0049 (4)以超声振动辅助下进行激光熔覆时存在的物理过程构建热源模型; 物理过程 包括: 合金粉末材料对激光能量的遮挡作用; 激光和超声振动加载在合金粉末与基底表面 的热输入; 熔覆层和空气间的辐射和对流导致。

22、的能量损失。 0050 粉末材料对激光能量形成遮挡的情况下, 激光作为热源对粉末进行热输入, 激光 热源功率密度q(t)s表达式为: 0051 0052其中, P为激光功率, 为粉末对激光能量的衰减率, x和y分别表示元胞空间中当 前元胞的位置, r为激光光斑半径, Vx为激光沿X轴方向运动速度, Vy为激光沿Y轴方向运动速 度, t为激光运行时间, a为元胞尺寸。 说明书 4/6 页 7 CN 115618189 A 7 0053 加载的超声振动对熔覆层及基底产生热效应, 超声振动的功率密度qU表达式为: 0054 qU2aN1015f2(2 csfA)2/(2 cs) 0055 其中, N。

23、为超声波吸收系数常量, cs为超声波的传播速度, f为振动频率, 为粉末材 料密度, A为振幅。 0056 超声振动辅助激光熔覆过程中, 熔覆层除了吸收激光和超声振动的能量, 还存在 熔覆层和空气间的辐射和对流导致的能量损失, 则熔覆层粉末的温升为: 0057 Tx,y,k(qs+qUqconvqrad)a2t/(c a3) 0058 其中, Tx,y,k是位置为(x,y,k)处元胞温度变化值, qs是激光功率密度, qconv是对 流散热损失能量的功率密度, qrad是辐射散热损失能量的功率密度, c为比热容, 为粉末材 料密度。 0059 (5)设定激光熔覆过程的材料相态转变规则: 当金属。

24、材料的温度超过它的熔点时, 就会发生熔化; 反之, 当金属材料的温度下降到相应的温度范围时, 就会发生凝固, 根据粉 末束流模型和热源模型得到每个元胞的状态, 每个元胞设定两种状态: 相态S和温度状态T。 S状态表示当前元胞为液态元胞、 固态元胞、 边界元胞或者气态元胞, T状态表示当前元胞的 温度。 0060 (6)基于元胞自动机根据超声振动辅助下熔覆层的温度传递规则和即时元胞状态 计算下一时刻的元胞状态, 实现元胞状态更新; 熔覆层的温度传递规则: 激光加载在合金粉 末与基底表面的热输入; 固体材料内部的热传导; 熔池内熔融液体的热对流和热传导; 基底 及熔覆层表面与空气的对流传热与辐射传。

25、热。 0061 (7)采用液滴成形方法, 根据超声振动辅助下液态元胞的铺展过程, 计算熔覆层元 胞分布, 得到熔覆层的截面形貌。 0062 液滴成形方法描述了熔滴的总能E, 表达式为: 0063 0064 其中, SV表示固气表面自由能, SL表示固液表面自由能, LV表示液气表面 自由能; ALV表示液气界面的各个元胞的边界面积, ASV表示固液界面的各个元胞的边界面 积, i是液体的密度, g是重力加速度常量, v l是液态元胞的体积, zl是液态元胞的质心高度。 当E最小时, 得到熔覆层元胞的最终分布, 根据熔覆层元胞分布, 得到熔覆层的截面形貌。 0065 如图3至图6所示, 采用电火。

26、花线切割技术(EDM)对熔覆层的横截面进行切割, 分析 超声振动对熔覆质量的影响。 使用体视显微镜观察熔覆层截面形貌。 从每条轨道上切割并 测量三个横截面的尺寸参数并取平均值。 采用样条曲线对熔覆层截面形貌拟合后进行接触 角和截面积的测算。 0066 激光熔覆的试样经切割、 磨削、 抛光、 腐蚀后, 进行微观组织的金相观察和分析。 抛 光后的样件采用数字显微硬度测试仪进行熔覆层的显微硬度测试。 0067 激光熔覆的加工参数设置为: 激光功率P1300W, 送粉速率F1.0r/min, 扫描速 度V300mm/min。 0068 当超声波发生器的信号频率设置为基底材料的固有频率20kHz, 振动。

27、功率设置为 260W。 熔覆层的显微硬度测试结果如表1所示。 0069 表1 说明书 5/6 页 8 CN 115618189 A 8 0070 无振动振动功率260W 热影响区平均显微硬度HV0.2542.6917.5 0071 当超声波发生器的信号频率设置为基底材料的固有频率20kHz, 振动功率设置为 520W。 熔覆层的显微硬度测试结果如表2所示。 0072 表2 0073 无振动振动功率520W 热影响区平均显微硬度HV0.2542.6758.3 0074 当超声波发生器的信号频率设置为基底材料的固有频率20kHz, 振动功率设置为 780W。 熔覆层的显微硬度测试结果如表3所示。 0075 表3 0076 无振动振动功率780W 热影响区平均显微硬度HV0.2542.6795 说明书 6/6 页 9 CN 115618189 A 9 图1 说明书附图 1/4 页 10 CN 115618189 A 10 图2 图3 说明书附图 2/4 页 11 CN 115618189 A 11 图4 图5 说明书附图 3/4 页 12 CN 115618189 A 12 图6 图7 说明书附图 4/4 页 13 CN 115618189 A 13 。

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内容关键字: 基于 超声 振动 辅助 覆层 截面 形貌 计算方法
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