[发明专利]一种用于模拟环形激光光内送粉的热源模型

说明书

本发明公开了一种用于模拟环形激光光内送粉的热源模型，包括环形激光体热源和环形激光面热源，可根据激光出光口半径、焦距、距离基体的高度、光斑宽度等自行调节热源模型参数，能准确模拟不同离焦量下环形激光的热量分布，为准确模拟环形激光光内送粉热量传递、温度场、应力场、熔池流动行为提供有力参考依据。本发明可广泛应用于环形激光光内送粉的有限元模拟领域。

技术领域

本发明属于激光熔覆数字模拟术领域，尤其涉及一种环形激光光内送粉的热源模型，具体涉及用于模拟环形激光光内送粉的中空环状锥形体/面热源模型。

背景技术

激光熔覆是利用不同送料方式输送粉末颗粒，经高能激光束辐照粉末和基体使其熔化，在熔覆基体表面快速凝固形成冶金结合的熔覆层，可打印金属零件、改善基体表面性能。具有稀释率小、组织致密、结合性好、效率高、速度快等特点，在航空航天、汽车、化工等领域应用广泛。目前应用较多的是多路粉路管道环状包围激光束结构，粉斑汇聚精度低，粉末利用率低，熔覆件质量较差。而环形激光光内送粉通过光学变换使得激光束变为中空环状锥形光，送粉管竖直安装于中空光束间，使得粉末路径与激光束完全同轴，熔覆质量好，粉末利用率高。

在熔覆过程中，工艺参数的选择对熔覆质量的控制产生决定性作用。实际生产中，工艺参数的获取，常采用试错法或凭操作人员经验，浪费人力、物力，且缺乏科学性。近年来，随着计算机技术和数值方法的发展，数值模拟技术结合实验手段已广泛应用与激光熔覆理论研究中，数值模拟具有快速、有效、低成本的特点，可对熔覆过程温度场、流场、应力场分布、熔池冶金和凝固行为等进行分析，为实际加工提供参考，其中热源的加载是非常重要的环节，目前常用的热源有高斯面热源、双椭球热源、圆锥体热源等，而用于环形激光的数值模拟的热源目前尚未见到。

发明内容

本发明的目的在于针对环形激光光内送粉的数值模拟，提供一种用于模拟环形激光的热源模型，包含出光口半径、焦距、激光宽度、激光头到熔覆表面距离、速度等参数，可有效表达中空环状锥形光的热流密度分布，用于环形激光光内送粉的数值模拟，研究传热、熔化凝固等现象以及各种参数对熔覆的影响关系。本发明具有推导原理简单、操作方便、适应性强等优点。

一种用于模拟环形激光光内送粉的热源模型，其特征在于：在建立传统圆形激光束光外送粉和环形激光光内送粉的有限元模拟的基础上，基于高斯面热源、双椭球热源、圆锥体热源的推导机理，分析圆形激光和环形激光的能量分布，进而得到一种用于模拟环形激光光内送粉的热源模型，并用此模型进行了环形激光光内送粉的数值模拟，具体包括如下步骤：

步骤一：基于容积体热源及环形激光中空环状锥形的空间分布和圆锥体热源，采用面积乘以光斑厚度推导中空环状锥形的体积V：

根据离焦量不同可分为两种情况，环形激光光斑焦点在熔覆表面上和环形激光光斑焦点在熔覆表面下方，熔覆表面上方中空环状锥形光斑的面积S有以下表达：

S＝πr·l₁±πr'·l₂

其中f环形光焦距，h为出光口到熔覆表面高度，r为环形激光出光口等效半径，r'为环形激光照射到熔覆表面半径；

带入得：

光斑厚度2δ有：

其中R为光斑水平宽度的一半；

带入有体积V：

步骤二：获得随高度z变化的环形半径r_c以及z高度上的面热源分布函数E：