316L不銹鋼選區激光熔化單道熔池幾何尺寸演變規律

劉琪，袁美霞，華明，孟浩，高守鋒

316L不銹鋼選區激光熔化單道熔池幾何尺寸演變規律

劉琪1，袁美霞1，華明1，孟浩1，高守鋒2

（1.北京建筑大學 機電與車輛工程學院, 北京：100044；2.北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081）

探究激光功率（）和掃描速度（）對單熔道熔池幾何特征尺寸的影響規律，以及–組合工藝參數對熔池從成形到穩定狀態經歷的掃描距離的影響規律。以316L為材料，通過單熔道數值仿真分析，建立–變量與研究目標之間的影響關系。不同–參數組合對熔池幾何尺寸的影響規律明顯，熔池幾何參數達到穩定狀態需要經歷一定的激光掃描距離（小于1 mm）。隨著激光功率增大，熔池長度達到穩定狀態所經歷的激光掃描距離隨之增大，而熔池深度尺寸隨之減小。掃描速度增大到400 mm/s時，熔池達到穩定經歷的掃描長度縮短了6.7%，掃描速度對熔池穩定性的影響效果不顯著。在SLM單道成形過程中，激光功率、掃描速度越大，成形熔池平均長度尺寸也越大；激光功率越大、掃描速度越小，成形熔池深度及平均寬度越大。模擬試驗獲得重熔效果較好的–參數組合為=200 W、=800 mm/s，重熔率達到94%。在熔池成形過程中，激光功率對熔池穩定性的影響起主導作用。為了減少成形件的邊界翹曲，在打印試件初始成形階段應在合理激光功率范圍內選擇較高的激光功率。

選區激光熔化；激光功率；掃描速度；單道模擬；熔池幾何尺寸；熔池穩定狀態

選區激光熔化技術（Selective Laster Melting，SLM）是一種通過鋪粉、逐層金屬粉末燒結完成打印的工藝，具有高效、高自由度及耗材少等特點[1]。選區激光熔化過程復雜，單熔道金屬粉末燒結后成形熔池與相鄰成形熔道的搭接率，以及與下一層凝固熔道的重熔率會在一定程度上對成形件的綜合力學性能及表面質量產生影響[2-5]。在打印初始過程中，受激光對粉末床的輻射作用，金屬粉末熔化形成液態熔體，而熔體體積大小取決于金屬粉末對激光能量的吸收。當移動光源離開熔體區域，在金屬粉末吸收激光能量密度影響的溫度梯度和凝固速率的共同驅使下[6-7]，形成不同尺寸且微觀結構存在差異的熔池。同時，在此過程中熔道起始位置由于激光穿透性較差，導致成形熔體黏度和張力上升，熔體對周圍粉末浸潤性差，進而造成熔池深度較淺且熔池幾何參數不能快速穩定。熔池在從成形到穩定狀態的過程中，因熔池不穩定性會造成成形件邊界翹曲及組織成分不均勻等問題。

為了獲得最優成形件綜合性能，很多專家學者對打印過程中熔池的成形質量影響因素進行了研究。曲睿智等[8]利用離散元方法建立粉末床，通過數值仿真方法模擬打印過程中熔池的演變并還原飛濺現象，發現隨著功率增大，熔池的深度與寬度擴大且增大了激光掃描速度，飛濺將沿著光源移動逆方向逸出。Cunningham等[9]借助超高速成像技術，直接觀察到了熔池液面的凹陷及“匙孔”樣熔坑的瞬時形態，測量了激光熔化過程中的熔坑大小，獲得了熔坑形貌與激光功率和掃描速度的函數關系。趙定國[10]、胡紅偉等[11]研究了激光功率、掃描速度及光斑直徑對熔池尺寸的影響，發現大功率小直徑熱源成形微熔池時間早，在不同激光參數下，熔池增大速度隨時間逐漸變慢。Han等[12]通過改變激光掃描速度及掃描間距打印AlSi10Mg胞狀晶格支架結構，并對支架尺寸偏差、微觀熔池尺寸及表面粗糙度進行研究，發現尺寸偏差與熔池寬度尺寸的Pearson相關系數約為0.74，證明了熔池幾何尺寸對打印成形件幾何精度具有一定的線性影響。這些研究多專注于熔池達到平穩狀態時的尺寸及形貌變化，且相關理論也達到相對熟階段，但對熔池初始成形階段幾何尺寸及形貌的研究較少。熔池各幾何參數在未達到穩定條件下成形的熔道結合性較差，在熔道初始位置容易因試件與基板結合性差而導致邊緣翹曲現象，從而影響試件的致密度、尺寸精度及綜合性能。因此，探究熔池幾何尺寸穩定性規律對提高加工件質量具有至關重要的意義。

同時，目前大多研究針對激光能量密度控制金屬溶液體積的影響因素，大多集中在激光功率與掃描速度的單因素分析，探討單變量因素的作用結果，對于激光參數綜合影響討論較少。因此，基于選區激光熔化技術，選用316L材料，通過仿真軟件Ansys Additive進行單道數值模擬，探究在不同激光功率、掃描速度組合參數（–）下對熔池幾何參數的影響規律，以及分析不同激光功率和掃描速度參數組合影響熔池達到穩定狀態快慢的規律及機制。

1 仿真理論應用

ANSYS Additive是基于ANSYS開發致力于微觀及大型構件增材制造仿真的軟件，可以實現單道模擬及打印構件殘余應力的預測及失真補償。諸多學者借助其預測功能對打印件進行仿真校核。龔臣[13]通過該軟件對設計結構進行變形校核并通過原位實驗進行驗證，發現軟件預測結果與實驗結果有類似規律且相對誤差在15%左右；石陽[14]通過Additive對In625材料進行多層SLM數值模擬，分析不同填充角度對試件殘余應力的影響，發現45°填充角可以使得熔化層同時具有較小的、向殘余應力，且這2個方向上應力差值最小。

在仿真過程中，Additive熱求解器采用多尺度方法，遵循激光掃描路徑且具有周期性加熱溶液應用于沉積層，采用瞬態有限元分析求解隨時間變化的溫度場。其中，熱源模型采用高斯熱源，其熱流在垂直于激光束的表面上呈高斯分布，在垂直方向呈均勻分布，表達式見式（1）。

式中：為激光能量；為功率；表示粉末顆粒對激光能量的吸收率；表示激光光斑直徑；為粉床表面上一點到光斑中心的距離。

在求解過程中，施加均勻的恒定強制對流作為頂部邊界條件，側邊邊界條件設置為絕熱，將零件邊界框延伸出來的粉末作為緩沖區域，以避免邊界效應。為了避免求解過程熔池太大接觸域邊界，從而導致邊緣效應，網格求解采用具有同一水平分辨率及在動態沉積方向具有不同分辨率的笛卡爾網格。當模型從精細的單熔道模擬到零件增材模擬時，水平網格分辨率由網格分辨率因子（MRF）粗化，以提高其性能。MFR粗化的加熱熔液被應用于每個掃描軌跡內的每個單獨的熔液步驟。在掃描軌跡駐留時間會進行冷卻模擬，一旦溫度超過材料的固相線值，標記為粉末的網格節點就會熔化，此時，材料狀態就不再是粉末，該歷史記錄將通過連續的層保留。在此過程中，要依賴于高精度的熱解和大量的計算資源。為了以更快的方式獲得合理精確的解，假設金屬粉末被視為可均勻吸收散射的介質；熔化后的粉末層位于現有固體層之上，在凝固過程中經歷熱收縮；材料的冷卻被認為是瞬間發生的；求解環境忽略熱源引起的輻射效應，默認基板為底部固定溫度邊界條件。

2 單熔道熔池幾何尺寸分析

金屬粉末在激光作用下吸能熔化形成熔池，由于已熔化金屬粉末的導熱率大于未熔化金屬粉末的導熱率，因此在粉末層表面熔池呈現彗尾狀，激光選區熔化掃描過程形成的熔池幾何參數見圖1。圖1中熔池深度為熔池參考深度與打印層厚的總深度，熔池的參考深度表征熔池對已凝固層的重熔深度，通過重熔深度可以分析工藝參數對成形件的力學性能及表面質量的綜合影響。仿真試驗工藝條件見表1，主要分析激光功率及掃描速度對熔池幾何參數的影響機制。

隨著功率的增加，激光產生的熱傳導及輻射范圍增加，進而導致金屬粉末單位時間吸收能量增加，形成金屬熔池原子運動更活躍，當粉末吸收足夠能量轉變為熔池后，剩余能量以熱傳導的形式向四周溢出，功率越大，能量溢出越多，傳遞范圍越廣，熔池幾何參數越大。熔池溫度場隨功率變化見圖2a，隨著功率增大，熔池幾何尺寸表現為增大趨勢。當功率一定，掃描速度的大小決定了合金粉末對激光能量的吸收率，不同掃描速度下熔池達到穩定狀態時的溫度場模擬變化見圖2b，掃描速度越大，在掃描速度方向單位時間內受到激光作用的粉末越多，形成的熔池尺寸越長。但粉末單位時間吸收能量越少，熔池在深度方向形成熱影響區越小，熔池深度尺寸也越小。

圖1 掃描過程熔池幾何參數

表1 單道模擬工藝條件

Tab.1 Single pass simulation process conditions

圖2 不同功率、掃描速度下熔池達到穩定狀態時的溫度場

不同激光功率及掃描速度組合參數（–）對熔池幾何尺寸的影響規律見圖3。從單變量分析，隨著激光功率增大，熔池的幾何尺寸參數隨之增大。而隨著掃描速度增大，熔池的幾何長度隨之增大，熔池的寬度和參考深度尺寸均減小，該規律與熔池溫度場結果一致。從–組合參數數據分析，激光功率越大，掃描速度越大，熔池的幾何長度越大；激光功率越大，掃描速度越小，金屬粉末單位時間吸收能量越多，熔池幾何寬度及參考深度越大。由3b可知，當=1 200 m/s，=150 W時，熔池幾何寬度較小，相鄰熔道搭接率小，同時由于熔化的金屬液與粉末間潤濕性較差，熔化的金屬液容易在未熔化的粉末上發生球化現象。同時，由圖3c可知，在此–參數下，熔池的參考深度為5 μm，重熔率為10%，較低的重熔率不利于底層相鄰凝固熔道中未熔化粉末的重熔及氣孔的釋放。另外，高掃描速度下熔池流動性較差[15-16]，上下相鄰熔池結合性差，導致力學性能差。當為800 mm/s，分別為200、250 W時，熔池的平均參考深度分別達到47、72 μm。仿真打印層厚為50 μm，此時熔池深度方向的重熔率分別達到94%、144%。可見，當功率為200 W時達到了對相鄰打印層幾乎完全重熔的效果，有利于相鄰層已凝固熔池氣孔的釋放，以及由于飛濺、不完全熔化等原因導致的球化缺陷的消除，有利于相鄰打印層間緊密結合，從而提高打印試件的致密度。功率過小會導致粉末熔化不充分導致球化及孔隙率大等缺陷。但功率過大會導致過度重熔，對相鄰第2層已凝固組織而言，過度重熔使其完成3次重熔，溫度梯度過大造成的過快冷卻速率使熔池金屬原子劇烈運動，從而造成凝固組織內晶界及晶粒角度雜亂無章的分布[17-19]。

圖3 P–v組合工藝參數對熔池幾何參數影響

3 熔池穩定性分析

3.1 P–v參數對熔池穩定性影響

熔池穩定性是指初始成形熔池達到完全穩定狀態，即熔池幾何參數不再發生大幅度變化所經歷的激光掃描長度。在沒有預熱或預熱不充分的條件下，SLM在初始成型及每一熔道的起始位置，激光對金屬粉末的穿透性較差，成形的熔池幾何參數較小，需要經過一定掃描距離后熔池才能夠達到穩定。熔池從初始到穩定狀態過程中5個不同時間點的溫度場分布情況見圖4。其中，熔池的幾何尺寸不斷變大，形成的熱影響區也在不斷改變，因此在受熔池幾何尺寸影響達到穩定狀態的過程中，形成的熔道與相鄰熔道之間的搭接率存在差異。由于初始位置成形熔池較淺，成形試件與基板結合性較差，容易造成翹曲現象。在2種不同掃描策略下，第1層形變量規律均表現為每條熔道最初始掃描位置形變量最大（圖5a—b）。每一層打印完成后，變形收縮量不一致及隨著打印層數的疊加而導致的變形積累，最終會導致試件打印完成后表現出邊緣翹曲現象。對于這種收縮量積累導致變形的研究，Xie等[20-21]提出了約束力假設理論對其進行解釋。2種不同掃描策略成形試件變形量的表現具有一致性（圖5c—d），對于一般小寸尺SLM打印件而言，這種變形積累是影響尺寸精度不可忽略的因素。而相對大尺寸構件而言，邊緣的翹曲現象往往歸因于內部殘余應力的分布，熔池不穩定因素導致試件底部與基板結合不穩定區域較小，殘余內應力的影響為主導因素。

圖4 熔池達到穩定不同過程溫度場變化

圖5 基于Additive SLM成形件形變分布

在SLM成形起始階段，激光參數對熔池幾何參數具有重要影響。不同功率及掃描速度對熔池達到穩定時所經歷過的掃描距離有著不同程度的影響（圖6），當掃描速度一定時，隨著激光功率增大，熔池各幾何參數達到穩定所經歷的掃描距離逐漸增大，熔池幾何長度表現最明顯；當激光功率從150 W增加到350 W時，熔池達到完全穩定狀態所經歷的掃描距離從0.48 mm增加到0.88 mm（圖6a—c）。究其原因，金屬材料吸收激光能量過程受趨膚效應[20]的影響，金屬材料表面吸收激光束能量，使金屬中的自由電子熱運動增加而發生瞬時晶格碰撞，將電子的能量轉化為晶格的熱振動能，從而引起材料溫度升高。當材料導熱率一定時，激光功率越大導致溫度梯度越大，從而材料受到的溫度越高。金屬材料對激光的吸收率受溫度影響，當溫度接近材料的沸點時，其吸收率高達90%[22-24]，因此隨著激光功率增大，激光能量溢出涉及的范圍較大，在相同掃描速度條件下，成形熔池達到穩定狀態所用的時間越長，伴隨激光掃描的路徑越長。根據傅里葉導熱定律，單位時間內傳過面積的熱流量與溫度梯度、導熱系數及面積三者乘積成正比。因為金屬表面激光接觸面積大于垂直于表面方向的面積，表面金屬顆粒持續熔融時間較長且熔池的冷卻速度遠小于激光掃描速度[25-26]，已熔化金屬粉末的導熱率大于未熔化金屬粉末的導熱率，致使粉末層表面熔池呈現彗尾狀，所以成形熔池的幾何參數中熔池的長度達到穩定的時間要長于熔池寬度和深度達到穩定時所需要的時間。

同時，由圖6d—f可知，當激光功率一定時，隨著掃描速度增大，熔池達到完全穩定狀態所經歷的掃描距離逐漸減小。掃描速度增大到400 mm/s，熔池達到穩定狀態經歷的掃描長度縮短了6.7%，可見，由掃描速度所引起熔池達到穩定狀態所經歷的激光掃描距離變化趨勢并不明顯。究其原因，當激光功率一定時，隨著掃描速度增大，金屬粉末單位時間吸收的能量密度較小，同時金屬粉末在未預熱條件下激光能量以熱能的形式擴散相對較慢，從而導致吸收足夠能量達到熔點的金屬粉末越少，從而形成的熔池越小，這在熔池長度上表現較為明顯。因此，隨著掃描速度增加，熔池達到穩定所經歷的掃描距離變小。

3.2 熔池幾何長度及深度生長長度分析

在熔池達到穩定狀態的過程中，熔池長度達到穩定所經歷的掃描路程較長，激光功率和掃描速度對其影響的效果差異較為明顯，因此分析熔池長度的穩定性可以直觀看出激光參數對熔池幾何尺寸的影響規律（圖7a—c）。在圖7a—c的局部放大圖中，以橫坐標0.5 mm引垂線為參照線，隨著功率的增大，所選取的3種不同功率下成形熔池的長度達到穩定所經歷的掃描長度隨之增大，在相同功率下不同掃描速度對熔池達到穩定所經歷的長度影響不明顯，因此激光功率在熔池幾何參數達到穩定的過程中具有主導作用。同時，由7a—c可知，在不同激光參數組合下，熔池幾何參數達到穩定狀態所經歷的掃描距離小于1 mm。

圖6 不同功率及掃描速度對熔池成形穩定性影響

圖7 不同激光工藝參數對熔池長度和深度生長長度影響

在打印初始階段，由于材料未被熱源熱影響區預熱，初始成形熔池內積累的能量不利于在粉末層快速傳播，形成的熔池深度較淺，從而導致該階段成形的熔體與基板結合性差。若該過程中成形的熔體達到穩定狀態所經歷掃描長度越長，則熔體與基板結合較差范圍越大，從而導致的邊緣翹曲也越明顯。因而需對熔池達到穩定過程中熔池深度幾何參數進行分析。如圖7d—f所示，隨著激光功率增大，熔池達到穩定所經歷的掃描長度呈現減小趨勢，因而在選擇工藝參數時，為了減少邊界翹曲現象，在合理的激光功率范圍內選擇較大激光功率，有利于熔池在深度方向快速達到穩定狀態，減少成形熔道與基板結合差的長度，從而形成質量較高的熔道。同時由圖7a—f可知，當功率一定時，隨著掃描速度的增大，達到穩定狀態的熔池幾何長度隨之增大，而熔池參考深度隨之減小，與第2節熔池幾何尺寸分析中激光工藝參數對熔池幾何參數的影響所得出的結論一致。

4 結論

在SLM成形過程中，不同-參數組合對熔池幾何尺寸的影響具有一定的規律性。激光功率及掃描速度越大，成形熔池平均長度尺寸越大；激光功率越大、掃描速度越小，成形熔池參考深度及平均寬度越大。當=200 W、=800 mm/s時，重熔率達到94%，重熔效果理想。同時，在熔池成形過程中，熔池的長度尺寸達到穩定的時間長于熔池寬度和深度達到穩定時所需要的時間。熔池整體幾何參數達到穩定狀態所經歷的掃描距離一般會小于1 mm。隨著激光功率增大，熔池幾何長度達到穩定所經歷的激光掃描長度隨之增大，熔池幾何深度隨之減小；當掃描速度增大到400 mm/s時，熔池達到穩定經歷的掃描長度縮短了6.7%，掃描速度對熔池穩定性的影響效果不顯著，而激光功率對熔池穩定性的影響起主導作用。為了減少成形件的邊界翹曲，在打印試件初始成形階段應在合理激光功率范圍內選擇較高的激光功率。

[1] 敖曉輝, 劉檢華, 夏煥雄, 等. 選擇性激光熔化工藝的介–微觀建模與仿真方法綜述[J]. 機械工程學報, 2022, 58(5): 239-257.

AO Xiao-hui, LIU Jian-hua, XIA Huan-xiong, et al. A Review of meso-micro modeling and simulation methods of selective laser melting Process [J]. Journal of Mechanical Engineering, 2022, 58(5): 239-257.

[2] 韓國梁, 石文天, 韓玉凡, 等. 基于單熔道試驗的選區激光熔化成形TC4鈦合金表面成形質量研究[J]. 激光雜志, 2021, 42(3): 163-169.

HAN Guo-liang, SHI Wen-tian, HAN Yu-fan, et al. Study on Surface Quality of TC4 Alloy Formed by Selective Laser Melting Based on Single-track Experiment[J]. Laser Journal, 2021, 42(3): 163-169.

[3] 石文天, 王朋, 劉玉德, 等. 選區激光熔化成形316L表面質量及工藝試驗研究[J]. 表面技術, 2019, 48(3): 257-267.

SHI Wen-tian, WANG Peng, LIU Yu-de, et al. Experimental Study on Surface Quality and Process of selective Laser Melting Forming 316L[J]. Surface Technology, 2019, 48(3): 257-267 .

[4] 徐浩然, 李寶寬, 劉中秋, 等. 不同掃描策略下鈦合金選擇性激光熔化過程層間溫度場的數值模擬[J]. 材料與冶金學報, 2022, 21(1): 66-73.

XU Hao-ran, LI Bao-kuan, LIU Zhong-qiu, et al. Numerical Simulation of Interlayer Temperature Field during Selective Laser Melting of Titanium Alloy under Different Scanning Strategies[J] Journal of Materials and Metallurgy, 2022, 21(1): 66-73.

[5] 梁平華, 唐倩, 馮琪翔, 等. 激光選區熔化單道掃描與搭接數值模擬及試驗[J]. 機械工程學報, 2020, 56(22): 56-67.

LIANG Ping-hua, TANG Qian, FENG Qi-xaing, et al. Numerical Simulation and Experiment of Selective Laser Melting Single Channel Scanning and Overlapping[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2020, 56 (22), 56-67.

[6] WANG H Z, CHENG Y H, ZHANG X C, et al. Effect of Laser Scanning Speed on Microstructure and Properties of Fe Based Amorphous/ Nanocrystalline Cladding Coatings[J]. Materials Chemistry and Physics, 2020, 250: 123091.

[7] JIANG H Z, LI Z Y, Feng T, et al. Effect of Process Parameters on Defects, Melt Pool Shape, Microstructure, and Tensile Behavior of 316L Stainless Steel Produced by Selective Laser Melting[J]. Acta Metallurgica Sinica (English Letters), 2021, 34(4): 495-510.

[8] 曲睿智, 黃良沛, 肖冬明. 基于數值模擬的選擇性激光熔化過程中熔池演變與金屬飛濺特性分析[J]. 航空學報, 2022, 43(4): 405-424.

QU Rui-zhi, HUANG Liang-pei, XIAO Dong-ming. Study on the Numerical Simulation of Melt Pool Evolution and Metal Spattering Characterization during Selective Laser Melting Processing[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2022, 43(4): 405-424.

[9] CUNNINGHAM R, ZHAO C, PARAB N, et al. Keyhole Threshold and Morphology in Laser Melting Revealed by Ultrahigh-speed X-ray Imaging[J]. Science, 2019, 363(6429): 849-852.

[10] 趙定國, 陳洋, 支保寧, 等. 選區激光熔化過程金屬微熔池傳熱研究[J]. 熱加工工藝, 2022(2): 76-81.

ZHAO Ding-guo, CHEN Yang, ZHI Bao-ning, et al. Research on Heat Transfer of Micro Melting Pool in Selective Laser Melting Process[J]. Hot Working Technology, 2022(2): 76-81.

[11] 胡紅偉, 丁雪萍, 段宣明, 等. AlSi10Mg鋁合金選區激光熔化熱行為的數值研究[J]. 熱加工工藝, 2016, 45(20): 53-57.

HU Hong-wei, DING Xue-ping, DUAN Xuan-ming, et al. Numerical Study on Selective Laser Melting Thermal BehaVior of AlSi10Mg Aluminum Alloy[J]. Hot Working Technology, 2016, 45(20): 53-57.

[12] HAN X, ZHU H, NIE X, et al. Investigation on Selective Laser Melting AlSi10Mg Cellular Lattice Strut: Molten Pool Morphology, Surface Roughness and Dimensional Accuracy[J]. Materials, 2018, 11(3): 392.

[13] 龔臣. 基于原位測試的316L選區激光熔化變形仿真及預測[D]. 成都: 電子科技大學, 2021: 62-72.

GONG Chen. Simulation and Prediction of 316L Stainless Steel Selective Laser Melting Deformation Based on In-Situ Test[D]. Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China, 2021: 62-72.

[14] 石陽. Invar合金激光選區熔化成形數值模擬及試驗研究[D]. 南京: 南京航空航天大學, 2019: 44-51.

SHI Yang. Numerical Simulation and Experimental Investigation on the Selective Laser Melting Process of Invar Alloy[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2019: 44-51.

[15] 宗學文, 張健, 盧秉恒, 等. 掃描速度對選區激光熔化成形316L不銹鋼微觀形貌和性能的影響[J]. 機械工程材料, 2021, 45(8): 15-19.

ZONG Xue-wen, ZHANG Jian, LU Bing-heng, et al. Effect of Scanning Speed on Microstructure and Properties of 316L Stainless Steel Formed by Selective Laser Melting[J]. Materials for Mechanical Engineering, 2021, 45 (8): 15-19.

[16] CHEN Z W, DARVISH K, PASANG T. Effects of Laser Power on Track Profile and Structure Formation during Selective Laser Melting of CoCrMo Alloy[C]//Materials Science Forum Trans Tech Publications Ltd, 2017: 330-334.

[17] LIU B, FANG G, LEI L, et al. Predicting the Porosity Defects in Selective Laser Melting (SLM) by Molten Pool Geometry[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2022, 228: 107478.

[18] KIM D K, HWANG J H, KIM E Y, et al. Evaluation of the Stress-strain Relationship of Constituent Phases in AlSi10Mg Alloy Produced by Selective Laser Melting Using Crystal Plasticity FEM[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2017, 714: 687-697.

[19] GU D, MA C, XIA M, et al. A Multiscale Understanding of the Thermodynamic and Kinetic Mechanisms of Laser Additive Manufacturing[J]. Engineering, 2017, 3(5): 675-684.

[20] XIE D, ZHAO J, LIANG H, et al. Assumption of Constraining Force to Explain Distortion in Laser Additive Manufacturing[J]. Materials, 2018, 11(11): 2327.

[21] XIE D, LV F, LIANG H, et al. Towards a Comprehensive Understanding of Distortion in Additive Manufacturing Based on Assumption of Constraining Force[J]. Virtual and Physical Prototyping, 2021, 16(1): S85-S97.

[22] 虞鋼, 虞和濟. 激光制造工藝力學[M]. 北京: 國防工業出版社, 2012: 50-59.

YU Gang, YU He-ji. Laser Manufacturing Technology[M] Beijing: National Defense Industry Press, 2012: 50-59.

[23] ZHANG W X, HOU W Y, DEIKE L, et al. Understanding the Rayleigh Instability in Humping Phenomenon during Laser Powder Bed Fusion Process[J]. International Journal of Extreme Manufacturing, 2022, 4(1): 015201.

[24] LIU S, ZHU J, ZHU H, et al. Effect of the Track Length and Track Number on the Evolution of the Molten Pool Characteristics of SLMed Al Alloy: Numerical and Experimental Study[J]. Optics & Laser Technology, 2020, 123: 105924.

[25] ZOU S, PANG L, XU C, et al. Effect of Process Parameters on Distortions Based on the Quantitative Model in the SLM Process[J]. Applied Sciences, 2022, 12(3): 1567.

[26] MATTHEWS M J, GUSS G, KHAIRALLAH S A, et al. Denudation of Metal Powder Layers in Laser Powder-bed Fusion Processes[M].Additive Manufacturing Handbook. CRC Press, 2017: 677-692.

Evolution law of single pass Molten pool geometry of 316L stainless steel in selective laser melting

LIU Qi1, YUAN Mei-xia1, HUA Ming1, MENG Hao1, GAO Shou-feng2

(1. School of Mechanical-electronic and Vehicle Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China; 2. School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

The work aims to explore the effect law of laser power () and scanning speed () on the geometric feature size of single pass molten pool and-combination parameters on the scanning distance of molten pool from forming to stable state. With 316L as the material, the effect relationship between-variable and research target was established through numerical simulation analysis of single pass. Differentcombination parameters had obvious effects on geometry of molten pool and it took a certain laser scanning distance for the geometric parameters of the molten pool to reach a stable state. With the increase of laser power, the laser scanning distance for the molten pool length to reach a stable state increased, while the depth of the molten pool decreased, the scanning speed increased by 400 mm/s, and the scanning length for the molten pool to reach a stable state shortened by 6.7%. The effect of the scanning speed on the stability of the molten pool was not significant. In the single pass forming process by SLM, the larger the laser power and scanning speed, the larger the average length of the forming molten pool. The higher the laser power and the lower the scanning speed, the greater the depth and average width of the forming molten pool. The combination of-parameters with good remelting effect obtained from the simulation test is=200 W,=800 mm/s, and remelting rate of 94%. In the forming process of molten pool, laser power plays a leading role in the stability of molten pool. In order to reduce the boundary warpage of the formed part, a higher laser power should be selected within a reasonable range in the initial forming stage of the printed specimen.

selective laser melting; laser power; scanning speed; single pass simulation; geometry size of molten pool; stable state of molten pool

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.01.017

TG665

A

1674-6457(2023)01-0128-09

2022–06–22

2022-06-22

北京建筑大學市屬高校基本科研業務費專項（X18236）；國家自然科學基金（52105426）

Beijing University of Civil Engineering and Architecture Basic Scientific Research Business Expenses Special Project (X18236); National Natural Science Foundation of China (52105426)

劉琪（1997—），男，碩士生，主要研究方向為金屬增材制造。

LIU Qi (1997-), Male, Postgraduate, Research focus: metal additive manufacturing.

袁美霞（1979—），女，博士，副教授，主要研究方向為先進制造。

YUAN Mei-xia (1979-), Female, Doctor, Associate professor, Research focus: advanced manufacturing.

劉琪, 袁美霞, 華明, 等. 316L不銹鋼選區激光熔化單道熔池幾何尺寸演變規律[J]. 精密成形工程, 2023, 15(1): 128-136.

LIU Qi, YUAN Mei-xia, HUA Ming, et al. evolution law of single pass Molten pool geometry of 316L stainless steel in selective laser melting[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(1): 128-136.