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激光快速成形金属零件的残余应力

发布时间:2019-03-08

激光快速成形技术是近几年国际上广泛关注的一种的实体自由成形技术,能够直接成形高性能的致密金属零件,具有无模具、短周期、低成本、市场响应快等特点。本文简要分析了激光快速成形件残余应力的形成机理及分布规律,概述了激光残余应力的形成机理与分布特性。

激光成形属于材料热加工过程,它以高-能激光束作为移动热源,局部热输入产生的局部热效应将导致残余应力和变形。这主要是是激光束与材料相互作用形成的熔池经历快-速加热、熔化和快-速冷却、凝固变化,产生不均匀热应力和相变应力,结果引起不均匀塑性变形而形成残余应力。具体是激光快-速成形过程能量集中,熔池及其附近部位以远高于周围区域的速度被急-剧加热,并局部熔化。这部分材料因受热而膨胀,而热膨胀受到周围较冷区域的约束,产生(弹性)热应力。同时,由于受热区域温度升高后屈服及限下降,部分区域的热应力值会过其屈服及限,因此,熔池部分会形成塑性的热压缩,冷却后就比周围区域相对缩短、变窄或减小,同时由于熔覆层凝固冷却时受到基材冷却收缩的约束,从而在熔覆层中形成残余应力。

因此,激光快-速成形过程产生残余应力的原因主要归结于以下两方面:  
1.由于局部热输入造成温度分布不均匀,使得熔池及周围材料产生热应力,在冷却和凝固时相互制约而引起局部热塑性变形,进而产生热残余应力; 

2.由于熔凝区存在温度梯度且冷却速率不一至,熔池材料在凝固时因相变体积变化不均及相变的不等时性产生的相变应力,进而引起不均匀塑性变形而形成相变残余应力(组织应力)。成形件终的残余应力往往是上述两种原因的综合结果。激光快-速成形过程是一个复杂的物理冶金过程,残余应力的形成受诸多因素的影响同样复杂,应力大小和分布与熔覆粉材(种类、状态)、基体(材料、状态)、成形路径、成形尺寸及工艺参数的选取等密切相关,一般为三维残余应力。


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