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激光与光电子学进展
Laser&OptoelectronicsProgress
ISSN1006-4125,CN31-1690/TN
《激光与光电子学进展》网络首发论文
题目:扫描路径对选区激光熔化热力演变的影响
作者:边培莹,徐可为,尹恩怀,叶芳霞,张永建
网络首发日期:2022-07-18
引用格式:边培莹,徐可为,尹恩怀,叶芳霞,
演变的影响[J/OL].激光与光电子学进展.
.
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췸싧쫗랢쪱볤ꎺ2022-07-1811:05:28
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1
扫描路径对选区激光熔化热力演变的影响
边培莹1*,徐可为1,尹恩怀2,叶芳霞1,张永建1
,陕西省表面工程与再制造重点实验室,西安市智能
增材制造重点实验室,陕西西安710065;
,陕西西安710068.
摘要:选区激光熔化(SLM)是增材制造成形的主要工艺方式,其应用越来越广泛。影响其
成形性能的主要因素是工艺参数组合方案,而扫描方式是其中的一个关键参数。本文以两种
最常用的扫描路径为研究对象,深刻揭示其热力影响规律。首先建立符合SLM工艺特点的热
力耦合仿真模型,并基于有限元软件进行二次开发,实现不同路径的仿真模拟;然后以一组
工艺参数为例进行了仿真,结果表明条纹式扫描轨迹的熔池几何和热应力均大于棋盘式;最
后,通过熔道形貌与残余应力测试等多组实验数据均验证了仿真结果的正确性。该研究探明
了扫描轨迹对SLM成形热力的影响关系,并为工程实践应用提供了一种高效的工艺仿真方法,
从而便于进行SLM成形质量预判分析。
关键词:选区激光熔化;扫描路径;热力仿真;熔道形貌;残余应力
中图分类号TH164文献标识码:A
Influenceofscanningstrategyonthermodynamicsevolutionofselective
lasermelting
BianPeiying1,XuKewei1,YinEnhuai2,YeFangxia1,ZhangYongjian1
,Xi'anKeyLaboratory
onIntelligentAdditiveManufacturing'Technologies,SchoolofMechanicalandMaterial
EngineeringXi'anUniversity,Xi'an,Shaanxi710065,China;
,Xi'an,
Shaanxi710068,China.
Abstract:SelectiveLaserMelting(SLM),asamainadditivemanufacturing(AM)process,has

theformingperformance,,
twoofthemostcommonlyusedscanningpathsweretakenastheresearchobjectstorevealtheir
,athermodynamiccouplingsimulationmodelconforming
tothecharacteristicsofSLMprocesswasestablished,andthesecondarydevelopmentwascarried
,
asetofprocessparametersweretakenasanexampleforsimulation,andtheresultsshowthatthe
weldpoolgeometryandthermalstressofthestripedscanningpathareobviousgreaterthanthatof
,thecorrectnessofthesimulationresultswasverifiedbyseveral
groupsofexperimentaldata,
researchprovedtheinfluenceofscanningtrajectoryonSLMformingthermodynamics,and
基金项目:国家自然科学基金(11902250),陕西省自然科学基金(2019JQ-891),西安市科技计划项目
(21XJZZ0061).
通讯作者:*E-mail:******@。
:.
providedanefficientprocesssimulationmethodforengineeringpractice,whichisconvenientfor
SLMformingqualitypredictionanalysis.
Keywords:SelectiveLaserMelting(SLM);scanningstrategy;thermodynamicsimulation;molten
poolmorphology;residualstress
1引言
金属激光成形制造经历了二十余年的发展,其技术优势在行业领域有越来越多的应用需
求,但目前仍有较多的工艺机理尚未揭示清楚,严重影响了该技术的产业化应用。选区激光
熔化(SelectiveLaserMelting,SLM)作为增材制造的一种主要方案,虽有相关工艺参数研
究案例,但其工艺应用仍不稳定,多数工艺参数影响机理及其规律并不明确,影响其成形质
量。目前,激光功率、扫描速度、扫描路径、搭接方式等常作为SLM关键工艺参数的研究
对象,其中对扫描路径的研究近几年开始受到极大关注[1]。研究发现,扫描路径对激光热源
受热、传热以及热应力应变分布产生非常大的影响,通过调整扫描策略对成形质量的综合影
响几乎是最明显的[2]。
由实验对扫描策略的研究国内外学者做了一些前期研究。国内学者较为注重扫描策略对
组织和性能的影响,通过扫描分区变向研究得到,较小分区能够提高成形致密度、并减小其
表面粗糙度[3],同时分区短线扫描成形可以大大减少成形零件内部的气孔缺陷[4],还可以有
效改善应力分布,控制零件的变形程度[5]。另外对扫描策略与SLM制件的微观结构、晶体
形貌与力学性能也进行了关联,相关研究表明,扫描策略如条形扫描、平面扫描和棋盘扫描
对孔隙率、晶粒长大、晶粒尺寸及力学性能均有显著影响[6],采用连续层间旋转角度的扫描
策略,可以形成细小的等轴晶粒,提高SLM试样的抗拉强度和延展性[7]。国外学者更加关
注扫描策略对残余应力的影响,从实验上探索其相互影响关系[8],由扫描策略参数和热处理
分析对SLM零件组织和硬度的影响[9],并初步探索随着工艺参数的变化和扫描策略的变化
零件的应力变化[10],以及扫描策略对SLM制件残余应力及其变形的主要影响[11]。
近来,基于仿真开发的应用促进了扫描方式研究更加深入。通常以温度场或应力场为有
限元模拟对象,限于有限元计算的规模,通常是一层多道或多层一道的仿真,结合不同扫描
方式如长边扫描、短边扫描以及交错扫描[12],岛式扫描和蛇形扫描[13]等。模拟结果得到岛
式扫描制件其整体温度场分布均匀,这有利于减小残余应力分布,但是岛屿间搭接质量较差。
还有一些模拟研究了扫描策略对零件温度、应力和变形的影响[14],以及扫描路径对制件表
面质量、翘曲变形的影响[15]等,基本得到扫描路径的长短对成形件的致密度有重要影响,
并且预热可有效减少温度梯度及残余应力。目前,仿真研究初步结合实验验证的方式开始引
起学界重视,但两者工艺参数和试样级别还未有匹配对应,仅有初步结论:如长单向扫描方
式下基板的变形量最大[16]、热集效应显著[17],而采用短往复扫描方式下几何变形、残余应
力和孔隙更小[18]。
可见,激光扫描路径的相关因素对激光熔化成形具有直接影响,鉴于目前实验研究工艺
参量有限,对其影响机理还未有深刻揭示。仿真方法热力建模及计算误差较大,仿真规模较
小,仿真结果也缺乏相同实验验证,具有实践价值的仿真算法仍需精确开发。但当前研究已
经明确SLM成形中的扫描策略是影响激光能量输入的重要因素,甚至可以直接影响金属的
细观/微观结构和力学行为,通过高效仿真的方法进行扫描策略的有效分析计算,可以提高
产品成形的预判,大大提高SLM制件的成功性。基于此,本文采用动态热源技术,开发一
种激光随扫描路径的动态仿真方法,以便实现SLM成形过程的热力耦合过程。并对两种典
型的、对比性强的两种扫描策略分别建模仿真,以揭示其热力演变过程及应力形成机制,并
设计进行两种扫描策略的实际工艺参数与相同实验试样验证仿真算法的可靠性。:.
2仿真分析
首先根据选区激光熔化工艺特点进行了热源定义、弹塑性热力耦合建模、激光移动扫描
路径设置等,其仿真设计及结果分析如下。


本文主要以选区激光熔化(SLM)工艺为主要仿真对象,采用光纤激光器,其热源定
义为高斯模型,即最大热流密度从中心向外以指数倍衰减[19],可以描述为:
22APr2
q()r=−22exp()(1)
其中,q是热流密度(J/),P是激光功率(W),r是从中心向外的辐射距离,ω是
光束半径,A是成形材料的激光吸收率。

其次,一般意义上的热流密度通常定义为物质单位面积通过的热量温度差,则:
qk=T
rdr(2)
其中,k是热导率(W/mK),T是物体从高温到低温处的温度差(K),dr是当前传热层的
材料厚度(m)。
进一步,设计层间循环传热方程:Tn(3)
cKTpiit=−i1=()
其中,ρ是材料密度(kg/m3),c是当前状态比热容(J/kg·K),t是接触时间或传热时间。
根据其向三个方向自由传热,热平衡方程可采用一般三维热传导方程[19]:
cKKKQTTTT=+++()()()
txxyyzz(4)
其中,Q=q*(s*t)|(x,y,z,t)是单位体积热量值(W/m3).

物体受热由于膨胀而产生的热应变一般表示为[19]:
th=eT(5)
此处,αe是热膨胀系数。则总应变可有受力应变和受热应变之和构成:
ii=+fth(6)

T0=20°C;
σ,ε,τ,γ∣t=20=0;
u,v,w∣t=20=0。
模拟模型的边界条件主要是考虑空气的自然对流和周围辐射[20],其边界处的热通量等
于边界单元处的激光热通量。:.
−=kq()Twrw()
n(7)
n为模型表面法线方向,w为模型边界。
−=−+−khTTTT()()()Twwfwf44
n(8)
式中h为模型表面的传热系数,Tw为模型表面温度,Tf是周围气体的温度,ε是黑体
的辐射系数,σ是斯蒂芬玻尔兹曼常数。
然后,输入P,r,A,v等激光参数,同时,输入随温度的其他性能参数特性曲线或表格,
比如k,c,ρ,α,E,μ和G,这些材料性能系数随温度升高其值成一定的非线性变化,可
参考文献[21]的材料性能参数曲线。即可进行SLM弹塑性温度场与应力场有限元计算。为
了实现多层多道的激光选区熔化过程,采用了基于焊接动态热源的热力耦合仿真方法。即在
焊接软件环境下,可以给上述定义的热源赋予运动路径,即可实现动态热源效果,下面分析
其路径规划方法。

仿真模型采用圆柱Ф5×2(mm),其他工艺参数设定为激光功率为160W、扫描速度为
500mm/s、成形层厚为50μm,激光束搭接率20%,,初
始温度为常温态。根据激光选区熔化工艺常用路径,目前主要采用条纹式与棋盘式两种扫描
方式。

根据一般条纹式成形特点,其轨迹为逐层以角度偏转的方式进行扫描,其偏转角可设置
以30º为梯度,则各层从0º,30º,60º,90º,120º,150º,0º……,即每隔六层一个扫描循
环周期。其条纹式扫描轨迹定义后如图1所示。
(a)(b)(c)
(d)(e)(f)
图1条纹式扫描轨迹图(a)条纹式0°(b)条纹式30°(c)条纹式60°(d)条纹式90°(e)条纹式120°(f)
条纹式120°(g)条纹式150°
(a)stripescanningat0°;(b)stripescanningat30°;(c)stripe
scanningat60°;(d)stripescanningat90°;(e)stripescanningat120°;(f)stripescanningat120°and(g)
stripescanningat150°:.

另一种常用的扫描方式为棋盘式,也称岛式,其棋盘的栅格尺寸可根据实际成形件工艺
要求设计,,为了符合实际设备工作原理,仿真轨迹采用
了逐层偏转的布局方式,每隔四层一个扫描循环周期。其逐层变化设计效果如图2所示。
(a)(b)(c)
(d)(e)(f)
图2棋盘式扫描轨迹图(a)棋盘式0°(b)棋盘式45°(c)棋盘式90°
(d)棋盘式135°(e)棋盘式180°(f)棋盘式225°
(a)checkboardscanningat0°;(b)checkboardscanningat
45°;(c)checkboardscanningat90°;(d)checkboardscanningat135°;(e)checkboardscanningat180°and
(f)checkboardscanningat225°

基于SimufactWelding软件,按照以上热力耦合计算关系及软件的热源沿扫描路径的运
动轨迹开发,实现了成形过程动态仿真,以条纹式模型成形过程运行中的温度场与有效应力
场分布为例,截取其不同时刻时的成形状态见图3所示。在25s、50s、100s处的动态热源
移动形成的熔池温度场如图3(a)(b)(c),与对应应力分布如图3(d)(e)(f)。并在100s仿真完成
后,模型40层完全成形并冷却到室温,整体模型的内部应力状态保留下来,而此时的热应
力随之演变为残余应力。
(a)(b)(c)
(d)(e)(f)
图3温度场与应力场状态模拟图(条纹式扫描为例)(a)25s时温度场(b)50s时温度场(c)100s时温度场:.
3000
700
Height===
Height==
2500
Height===
600
600Height==
2000
500
500
1500
400
400
300
1000
Temperature(K)
300
200
500
Effectivestress(MPa)
200
(d)25s时应力场(e)50s时应力场(f)100s时应力场
(takeastripescanning)(a)temperature
fieldat25s;(b)temperaturefieldat50s;(c)temperaturefieldat100s;(d)stressfieldat25s;(e)stressfieldat100
50sand(f)stressfieldat100s
其分层统计数据如图4所示,图4(a)(MPa)厚度取仿真试样中心点处
几层关键点的温度数据统计,从开始仿真,沿时间轴其采集点处的温度曲线周期交变。首先
当前层被激光源加热,后以10-6K/s的速率迅速降温[23]。然后下一层被加热,由于热传导作
用,该层继续被加热,属于传导受热但其幅度小于之前。以此循环,经历后续几层的循环后,
该层温度逐渐降低至室温。后面几处采集值同样的规律循环,直至仿真完后整个零件冷却。
图4(b)为对应取点处的热应力演变曲线,与图4(a)温度场对应分析,在某一当前层温度下降0
时,其热应力迅速升高,当后续成形层在该层上方往复加热、冷却时,其热应力也反复为拉
100
压变化,在最后冷却到室温后,当前点的热应力转化为残余应力;由图4(b)可见,数据跟踪
采集为靠近中心处,从图上看其冷却后的残余应力表现为拉应力,结合图3的云图显示,在
其中心向外成拉压变化,形成稳定的平面应力拉压交错分布状态;进一步对冷却后的试样逐
层分析了其残余应力的变化趋势,由图4(c)可见,残余应力最大值是在靠近基板的底层,随050100
着试样高度增加,底层值增大。由此图4的温度场演变结合应力分布曲线,可对比建立SLM
成形的温度场与应力场关系,证实其热力耦合关系及其热力演变机理。
0
(a)
050100
Time(S)
(b)
0
Time(s)

(c)
Height(mm)
图4模型某点的温度场与应力场分布曲线(a)温度曲线(b)有效应力曲线(c)应力沿层高的分布:.
600
500
400
300
200
Residualstress(MPa)
Islandscanning
100
Stirpescanning
(a)temperaturecurve;
(b)effectivestresscurve;and(c)Stressdistributionalongheight
同样的方法下,还对棋盘式模型进行了相同模型大小、相同激光工艺参数的仿真,其仿0
真过程不再赘述。仿真模型冷却至室温后,进行了残余应力统计,两种轨迹的残余应力对比
如图5所示。可见,棋盘式扫描策略的残余应力在各层处测值均小于条纹式,且仿真计算可
得到其具体的预估值(约小15%左右)。从而可通过仿真的方法对成形质量进行预判,如果
仿真值超过材料许用应力则可判定此工艺策略需改进。
该基于动态热源的仿真方法工作效率高,相比较于ANSYS静态传热-
合SLM实际成形过程[19,20],相较于单层或单道的仿真也大幅提高了仿真效率[19,21],如上可
进行几十层的试样级别零件仿真求解。下面通过实验方法进行仿真结果的验证。
Height(mm)
图5两种轨迹仿真模型冷却后的残余应力对比图

3实验测试与验证

试样制备采用SLM公司280SLM成形设备,,原料为颗粒
度约40-50μm的316L不锈钢粉末,实验的三个主要工艺控制参数为:激光功率、扫描速
度、扫描方式,共计六组实验参数组合。其他参数与仿真工艺完全统一:层厚50μm,激光
束搭接率20%,,基板初始室温。实验也主要考察两种扫描方式的成形实验,
如表1所示。每一组工艺参数的试样分别制作三个试样,成形后1号进行显微组织观察,2、
3号进行残余应力剥层测试,可保证实验测量结果的可靠性。试样大小也采用Ф5×2(mm)。
表1试样主要工艺参数

SAMPLESPOWERSCANNINGSPEEDSCANNINGTRAJECTORYSERIALNO.
1P=160WV=400mm/s条纹式扫描(逐层偏转30度)11,12,13
2P=160WV=500mm/s条纹式扫描(逐层偏转30度)21,22,23
3P=160WV=400mm/s棋盘式扫描()31,32,33
4P=160WV=500mm/s棋盘式扫描()41,42,43

微观形貌观察实验采用HIROXKH-13003D光学显微镜,分别对图6试样的表面(图
6中XOY平面)熔道扫描轨迹图进行采集,并对其抛光后的截面熔道形貌采集(图6中XOZ
平面)。XSTRESS3000X射线残余应力分析仪用来无损检测试样表面残余应力,为了避免
移除基板的残余应力额外释放与变化,试样成形后直接连同基板测试。图7为XRD测试平:.
TopSurfaceTopSurface
TestSurfaceTestSurface
台,侧头搭配Mn靶,测试偏转角为20º-160º。为了进行残余应力沿深度测量,试样共剥离
六层,采用饱和盐水化学腐蚀逐层剥层法,,即试样从上表面向下共计六
次剥层测量(如图6中XOY平面)。如图6试样测试图所示标记,每一层的残余应力在试
样靠近中心处进行测试(○1○2两处测试2次取平均值)。根据文献[22]统计,同一测点其0º
(X向)与90º(Y向)其值差异不大,所以以0º方向应力为主测量值,作为本文多点剥层
测值的统计对象。Bottom
Indepth
Indepth
Unit:mmUnit:mm
图6试样测试示意图图7成形试样应力检测平台



对两种扫描方式直接取试样在光镜下观察其上表面,其扫描轨迹清晰可见,图8(a)——
图8(d)为试样1条纹式扫描轨迹,随层变化可见其倾斜角度,为逐层偏转30º的条纹式。而
且随着激光的移动方向,形成因随光源移动其熔道的先后凝固对应的逐道鳞片式轨迹图[24]。
图8(e)——图8(f)为试样3棋盘式扫描轨迹图,
晰可见,其扫描轨迹相对条纹式短50%。
(a)(b)
(c)(d)
:.
(e)(f)
图8成形后熔道轨迹图(a)条纹式0°(b)条纹式30°(c)条纹式90°(d)条纹式120°(e)棋盘式0°(f)
棋盘式90°
(a)stripescanningat0°;(b)stripescanningat30°;(c)stripescanningat90°;
(d)stripescanningat120°;(e)checkboardscanningat0°and(f)checkboardscanningat90°

通过截面制样在光镜下观察其凝固后的熔道截面,见图9,在同样面积的扫描区域,分
析其熔道的宽度和高度,条纹式扫描方式比棋盘式熔道截面面积略大,说明扫描轨迹长度增
加1倍时,对应的熔池之间热作用时间增长,热流传热区间增大,图9中熔道宽增加25%
左右。根据式(5)结合图9测值,其温度升高值大,也即温度梯度大对应熔道面积大,由
此导致的热应变增大。
(a)(b)
110×25μm
112×45μm
(c)(d)
82×20μm
102×22μm
图9成形后熔道截面图(a)P=160W,V=400mm/s,条纹式;(b)P=160W,V=500mm/s,条纹式;
(c)P=160W,V=400mm/s,棋盘式;(d)P=160W,V=500mm/s,棋盘式.
(a)P=160W,V=400mm/s,striped;(