激光选区熔化成形过程中搭接率及扫描速度对温度场的影响

计算模型的尺寸为2.4×1.2×2.62mm³，成形区的尺寸为1.8×0.6×0.12mm³，共六层，层厚为0.02mm，其扫描方式为隔层交替扫描，相位角为 90°，如图1 所示。SLM技术是一种预铺粉的快速成形技术，必须考虑到粉末对已成形区的导热作用和自身被预热过程。在本模型中成形层周围的粉末宽度取为0.3mm，由于粉末的热导率很低，这个宽度已经能较好反映粉床对成形区温度的影响。为了更准确的分析激光加工过程中热扩散行为，模型基底的尺寸相对比较大为2.4×1.2×2.62mm3。成形层与粉床的单元尺寸为0.05×0.05×0.02mm³，远离成形层的网格的划分相对粗糙些，这即保证了足够的计算精度，同时也避免了计算时间过长。

图 1    多层多道的有限元模型

图2是激光扫描阶段的瞬时最高温度的平均值和熔池深度随速度的变化曲线。不同速度间的瞬时最高温度比较接近，但是速度越慢平均最高温度越高。由图可知，速度由10m/min变为15m/min时，平均瞬时最高温度减小了52K，明显高于速度由15m/min变为20m/min 的温度变化值 8K。从熔池的深度随速度的变化上也能看到这一现象。这是因为激光在同一位置的停留时间与速度成反比关系，当速度变化量相同时，激光停留时间的改变量并不相同。

图 2    熔池深度与平均最高温度随速度的变化

（功率为190W；搭接率为0）

图3是不同搭接率下瞬时最高温度的变化曲线。从图中我们可以看到，搭接率对瞬时最高温度的影响不大。搭接率对熔池深度影响较为明显，搭接率为33%的熔池 深度为0.053mm大于搭接率为0 的熔池深度0.045mm。这是因为重熔区面积随着搭接率增大而增大，而重熔区已在前一道扫描时被高温熔化，且仍有较高的温度，此外，重熔区为实体，热导率大，易于激光产生热量向四周传播，因而熔池深度增大。

图3 不同搭接率时瞬时最高温度随时间的变化曲线

（功率为190W；速度为15m/min）

来源：鑫精合