[发明专利]基于COMSOL预测金属粉末融化/凝固熔池分布的方法

说明书

本申请提供一种基于COMSOL预测金属粉末融化/凝固熔池分布的方法，所述方法包括如下步骤：S1：基于COMSOL构建三维固体传热和两相流水平集瞬态模型；S2：确定仿真过程中的参数；S3：确定待熔化的粉末的材料属性；S4：确定移动高斯热源参数；S5：构建粉床的几何模型并确定粉床的几何模型的初始条件、边界热源条件和确定两相流水平集节点下的边界条件；S6：对粉床的几何模型进行网格划分并确定；S7：根据步骤S6的结果预测熔池分布。本方法基于COMSOL软件，利用两相流‑水平集的方法耦合流体传热进行流体动力学仿真对激光选区融化过程进行了复现，具有保真性，能实时预测熔池分布。

技术领域

本发明涉及激光选区融化技术领域，尤其涉及一种基于COMSOL预测选区激光熔化技术金属粉末融化/凝固熔池分布的方法。

背景技术

选区激光熔化技术是基于材料离散-逐渐累加方式制造实体零件的近净成形技术。该技术通常以金属粉末为原料,通过三维模型预分层处理设定激光扫描路径,采用高能量激光束按照设定的扫描路径逐层熔化金属粉末,使其快速凝固、堆积而形成高性能构件。在激光增材制造过程中，通常需要监测熔池的几何结构、温度、沉积高度等参数，熔池的几何结构，作为可以反映激光增材制造过程稳定性的重要特征之一，已经被广泛的应用到过程监测和过程控制之中。同时熔池的观测受到飞溅、光斑、未融化的粉末颗粒、热粒子、表面氧化物、等离子体、熔池表面扰动的影响。通过热成像仪，或者通过合适的滤波器与窄带滤波器可以直接监测熔池的几何形貌。但是上述方法无法观察和捕捉仿真加工过程中产生的冶金气孔、熔融金属飞溅和匙孔现象。

因此，亟需一种能预测熔池分布的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于COMSOL预测金属粉末融化/凝固熔池分布的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

S1：基于COMSOL构建三维固体传热和水平集两相流瞬态模型；

S2：确定仿真过程中的参数，所述参数包括理想气体常数、金属材料融化潜热、金属材料蒸发潜热、金属材料相对分子质量、表面辐射率、玻尔兹曼常数、金属材料固相线、金属材料液相线、金属材料气相线、金属材料熔点、固液相线差值、环境压强、金属材料热膨胀系数、表面张力系数、表面张力的热依赖性系数、Boltzmann常量、回归扩散系数β-r、激光移动速度、激光功率、激光半径、环境温度、扫描时长、糊状区常数和机器精度；

S3：确定待熔化的粉末的材料属性，所述材料属性包括热导系数、比热容、材料密度、热膨胀系数、固液相线，以及与气相间的表面张力大小；

S4：确定含参变量，所述含参变量包括高斯热源的热通量、高斯热源X向、高斯热源y向、高斯热源半径、达西阻力、传热辐射、表面张力系数、热浮力、反冲压力对于压力的影响、反冲压力对于体积分数的影响、蒸发热量损失、蒸发质量通量、反冲压力项、水平界面识别函数；

S5：构建粉床的几何模型，并确定粉床的几何模型的初始条件、边界热源条件和确定两相流水平集节点下的边界条件；

S6：对粉床的几何模型进行网格划分并确定节点的温度、速度、压力和相成分；

S7：根据步骤S6的节点的温度、速度、压力和相成分预测选区激光熔化技术加工过程中熔池分布。

进一步，步骤S4中高斯热源的热通量采用如下方法确定：

Flux＝((2*A_Gass*P_laser)/(pi*r_spot^2))*exp(-2*r_focus^2)/r_spot^2)(1)

其中，Flux表示高斯热源的热通量，A_Gass表示材料的吸收率，P_laser表示激光热源，pi表示π，r_spot表示激光半径，r_focus表示高斯热源的焦点；

所述高斯热源X向采用如下方法确定：