用于增材-减材强化参数选择的超大尺寸激光熔池数字重建

《Optics & Laser Technology》：Large-size laser melt pool digital reconstruction for additive-subtractive strengthening parameter selection

　　摘要：在金属表面激光加工过程中，熔池的动态形成会显著影响加工表面的机械性能和形态精度。现有方法在预测大尺寸熔池特性方面仍存在挑战。因此，本研究探讨了在增删强化工艺中大尺寸激光熔池的数字重建方法。基于质量浓度的等效扩散算法被提出，用于解决模型尺寸和边界条件的动态迭代问题。高激光功率和快速扫描速度可减小熔池中心的次表面热影响区及凹陷，从而使合金化熔池的深度和宽度增加。同时，该数字重建模型被用于确定增删强化工艺的参数。600瓦的激光电源、3毫米/秒的进给速率以及10微米的磨削深度能够获得高质量的合金化磨削表面。本研究完善了大尺寸熔池的动态形成机制，并提供了一种新的数字重建方法。这些成果有助于推动增删强化技术的发展，也为其他先进的激光加工技术提供了技术参考。

引言：激光加工技术因其灵活性高、加工精度高、非接触式操作、效率高且环保等优点，被广泛应用于汽车、电子、航空航天、机械制造等关键领域，是推动现代制造业快速发展的重要核心技术[1][2]。在金属部件表面的激光加工中，熔池的动态形成会显著影响加工表面的机械性能和形态精度[3]。因此，探究激光熔池的动态形成机制是提高加工表面质量及优化工艺参数的有效途径。要研究激光熔池的动态形成，就需要获取激光加热表面的动态温度分布。对于大多数激光加工技术而言，其温度场具有辐射状分布、较大的温度梯度以及动态变化的特点，因此直接测量激光温度场十分困难。Hooper利用高速相机进行同轴成像，以获得空间和时间分辨率来测量熔池表面的温度。他们采用了双波长成像装置来弥补发射率变化带来的影响，测得的温度梯度为5～20 K/μm，冷却速率为1～40 K/μs[4]。为了提高温度测量的精度，Dai等人开发了多光谱成像（MSI）测温方法。MSI能够捕捉多波段的辐射信息，从而同时确定绝对温度和表面发射率，经过辐射校准模型处理后的平均测量误差可控制在2%以内[5]。与温度测量相比，激光温度场仿真具有成本低、效率高、温度测量范围广且灵活性强的优点。Lin等人利用温度叠加原理预测脉冲激光照射时的温度，并建立了二维有限元模型，该模型考虑了激光照射、固相单元传热、颗粒挤压生热以及热辐射和热对流的影响[6]。然而，二维温度场模型难以描述激光热能在空间尺度上的分布情况。Varedehsaraei等人将解析法与有限元模型相结合，有效再现了激光重熔金属材料的三维传热和凝固现象[7]。为了提高温度预测的精度，Ji等人针对激光粉末床熔融（LPBF）工艺开发了温度解析模型，该模型考虑了构件尺寸和形状所带来的几何效应[8]。值得注意的是，大多数关于激光加工中温度场的研究都集中在小光束尺寸下金属表面的局部温度上。当模拟尺度较大时，精确求解温度就变得十分困难。随着熔池的扩大，重力引起的自然对流与马朗戈尼流相互耦合，形成了复杂的多循环结构，这不仅扰乱了流场，还使得熔池内的热传递变得更加复杂[9][10]。与此同时，与大尺寸熔池相比，小尺寸熔池的自由表面形态多样性较低，追踪其动态边界相对容易一些[11][12]。流动与热传递之间的耦合边界条件也难以准确描述。此外，对大尺寸熔池的动态温度场进行数值模拟需要更大的计算域和更多的网格元素。数值扩散、截断误差以及网格离散化误差会沿着热传递路径不断积累，最终降低温度场的整体计算精度[13][14]。因此，计算和模拟大尺寸熔池中的精确温度分布仍然是一项艰巨的任务。

激光加工会在金属表面形成熔池，而熔池内部的温度分布并不均匀，这就导致了熔体密度和表面张力的局部差异[15]。在表面张力梯度的不平衡作用下，熔池中的金属液会从低张力区域流向高张力区域，从而引发马朗戈尼效应，该效应会改变熔池内的流场和温度场分布[16]。Momin等人通过将温度场和流场相结合的方式，将马朗戈尼流引入激光加热模型中，该模型能够再现加工表面上熔池的形成过程[17]。此后，Politano等人研究了纯镍在纳米尺度下激光加热过程中的马朗戈尼流，并利用普朗特数、马朗戈尼数和佩克莱特数对熔体流动的流体动力学特性进行了量化分析[18]。与熔体的重力、密度和粘性剪切力相比，由表面张力驱动的马朗戈尼效应对熔体流动的影响最为显著[19]。Khamidullin等人指出，不同金属材料表面张力温度系数的符号和大小存在差异，这会改变熔池内马朗戈尼流的方向，进而导致不同的熔池形态[20]。Schlenger等人采用经典实验设计方法对多相有限元模拟的结果进行分析，由此得到了熔池尺寸的二次元元模型，该模型能够用于预测在各种加工条件下的熔池宽度、深度和长度[21]。Liu等人提出了一种新型的三维粉末级瞬态多物理场模型，该模型采用拉格朗日粒子模型来表示质量的增加，且无需假设质量源项能够反映进入熔池的粉末颗粒。重熔表面的几何形状是由熔池的非均匀温度场和表面张力决定的[22]。然而，熔池形成过程中液相体积和边界的动态变化给模拟分析带来了很大挑战。现有的大多数方法都需要预留模拟空间并实时更新熔池边界，这大大增加了算法的复杂性，也使得计算结果难以收敛。此外，在激光增材加工过程中，动态形成过程主要发生在小尺寸熔池中，将相关的模拟方法应用于大尺寸熔池会使得高效计算变得困难。值得关注的是，大尺寸熔池在激光合金化及激光焊接工艺中应用更为广泛。在大尺寸激光加工中，熔池的动态形成对重熔层的内部均匀性以及加工表面形态的精度有着更为显著的影响。因此，亟需研究大尺寸激光熔池的动态成型机制及其模拟方法。

激光技术被广泛用于增强金属材料的表面性能。然而，激光加工会破坏材料表面原有的形貌精度，因此需要对经过激光强化的表面进行二次加工处理[23][24]。传统的表面制造工艺往往将激光表面强化与二次加工分开进行，这种方式容易导致工艺复杂、能耗高且生产效率低等问题[25]。为了解决上述问题，Sun等人提出了一种增删强化技术，该技术将表面激光增材强化与磨削成形相结合[26]。这项技术不仅简化了激光强化表面的生产流程，还能充分利用合金化和激光软化效应，实现Ti6Al4V表面性能与精度的协同优化制造。目前，增删强化技术发展迅速，已应用于多种涂层类型中[27][28]。不过，这项技术仍面临一定的挑战。增删型材料加工的实现需要各加工参数之间存在高度的相关性，而相关的支撑参数则需要通过多次试验来确定。因此，加工参数的选择缺乏理论依据和优化方法，这限制了增删强化技术的发展。

总之，为降低大尺寸熔池动态形成模型的算法复杂度，并解决增删强化技术的发展困境，本研究提出了大尺寸激光熔池动态形成数字重建模型。该模型基于质量浓度提出了等效扩散算法，用于分析模型尺寸和边界条件的动态迭代过程。同时，研究了激光参数对熔池内热传递和质量传递的影响。此外，该大尺寸熔池动态成型数字重建模型还被应用于增删强化工艺中，为参数的选择提供了高效且可行的策略。本研究完善了大尺寸激光熔池的动态形成机制，并提供了一种新的数字重建方法。这些成果有助于推动增删强化技术的发展，也为其他先进的激光加工技术提供了技术参考。

章节节选：
大尺寸激光熔池的成型：为准确预测激光加工过程中金属材料表面的熔池形态并探究重熔表面形成的机制，构建了大尺寸激光熔池的数字重建模型。首先分析了大尺寸激光束作用下金属材料表面的热传递和质量传递状况，建立了有限差分温度场模型来描述该处的固液分布状态。

动态激光温度场：以实验组（1）为例，激光动态温度场的模拟结果如图7所示。当激光热源扫过加热区域时，中心截面的动态温度会迅速上升，随后又下降。当热源进入加热区域时（t = 0.1秒），热量会以辐射状快速扩散到材料表面，从而在加工表面上形成一个宽阔的高温区域。随着热源不断深入……

结论：本研究探究了激光增删强化工艺过程中大尺寸激光熔池的动态形成机制，解决了激光加热区域中心截面的温度分布问题。同时，利用大尺寸激光熔池数字模型重建了熔池形态，并分析了激光参数对熔池形态的影响。此外，该数字重建模型还被用于确定……

作者贡献声明：
Yuan Hong：撰写——初稿、方法论、研究实施、正式分析、概念构建。
Cong Sun：撰写——审阅与编辑、资源协调、方法论、资金获取、正式分析、概念构建。
Xiuli Fu：监督、资源协调、研究实施。
Dawei Wang：监督、软件相关工作。
Ge Meng：可视化处理、验证、监督。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究工作的已知财务利益或个人关系。

致谢：本项目得到了中国国家自然科学基金（项目编号52105433、52175383、52175408、52575500）、中央高校基本科研业务费（2025GFYD08）、省级自然科学基金联合资助项目（ZX20240442）以及中央高校基本科研业务费（N2303021）的支持。

Yuan Hong|Cong Sun|Xiuli Fu|Dawei Wang|Ge Meng