激光熔覆熔池温度场及流场数值模拟研究进展

简述了激光熔覆熔池的受力,包括表面张力、黏性剪力、重力以及保护气压力等,并从组织生长和熔池流淌对熔覆层的形成机理作了简要分析。同时,对激光熔覆仿真模拟中采用的不同热源模型的能量分布规律和方程进行了归纳,包括表面高斯热源、表面环形热源、高斯体热源、椭圆球热源、组合体热源等。在此基础上,分类评述了近年来国内外激光熔覆熔池温度场及流场的数值模拟方面的研究进展,并分析了各种热源模型的优势及不足,总结了不同热源的适用环境及获得的温度场、流场分布规律。此外,对熔池自由液面的研究方法进行了总结,归纳了温度场流场数值模拟模型的验证方法。同时,针对激光熔覆熔池数值模拟研究存在的问题,分别从数值模型、边界条件等方面进行了归纳,最后对其未来的发展方向进行了展望。     

激光熔覆溶池二维准稳态流场及温度场的数值模拟

本文建立了二维准稳态激光熔覆熔池流场及温度场的数值模型,除考虑对流换热外,模型还考虑了局部大变形自由表面,在贴体正交曲线坐标系下采用了非正交错网格ＳＩＭＰＬＥ算法离散求解动量方程,计算出了激光熔覆熔池自由表面形状和温度场,速度场及局部特征凝固参数,数值结果表明,表面张力温度系数αγ／αＴ和扫描速率ｕ０对熔池自由表面形状及熔池内温度分布,速度分布有重要影响,同时进行激光熔覆的工艺实验,实测枝晶二次臂     

3D激光熔覆陶瓷-金属复合涂层温度场的有限元仿真与计算

通过建立移动激光高斯热源作用下三维熔覆温度场的计算机数值分析模型，在分析过程中引入了复合材料热物性参数的计算方法，考虑了相变潜热和辐射对流散热等因素，用ANSYS中的ADPL语言编制了相应的计算机程序，具有较高的计算精度。在不同的工艺参数条件下，用该模型对激光熔覆陶瓷一金属复合涂层温度场进行了分析计算，得出了熔覆过程中试样表面、端面的温度等值线分布和温度梯度分布，预测了熔池的轮廓、热影响区的形状、交界面的结合情况等，为研究激光熔覆陶瓷．金属复合材料涂层的覆层成型和凝固机制、根据熔覆层的材料设计要求选择激光熔覆工艺参数等提供了依据。     

激光熔覆加工头聚焦性能及成形工艺研究进展

激光熔覆作为一种十分有前途的制造技术,已在工业中广泛用于部件修复、表面改性以及增材制造等领域。在激光熔覆系统中,激光熔覆加工头是其关键核心部件,可以在基材表面实现激光束、熔覆材料和熔池之间的精准耦合并形成连续熔覆层。激光熔覆加工头内置有光学镜组,主要用于激光束的传输、变换和聚焦,可以根据不同的加工需求对光束进行处理。主要从分析激光熔覆加工头聚焦性能对熔覆成形工艺影响的角度出发,综述了加工头的设计及其成形工艺的发展,具体包括光斑尺寸、光斑形状、光斑能量分布、激光功率、光源特性等对材料沉积速度、材料利用效率、熔覆层质量等的影响。首先按照激光熔覆的材料类型和材料与激光束的耦合形式,对激光熔覆光料耦合方式及加工头进行了简要概述,并对成形工艺造成的影响进行了总结。其次分别讨论了连续高斯光束和平顶光束以及脉冲激光的聚焦性能对熔覆层的影响,同时概述了3种不同形状光斑（圆形、矩形、环形）的能量分布特性和光斑尺寸对成形工艺的影响;接着研究了激光能量密度对熔覆层质量的影响;基于超高速激光熔覆技术分析提出透镜长焦深聚焦特性能够大幅提升激光熔覆的加工效率。最后展望了激光熔覆加工头聚焦性能在成形工艺上的发展趋势...     

激光熔覆熔池二维准稳态流场及温度场的数值模拟

本文建立了二维准稳态激光熔覆熔池流场及温度场的数值模型,除考虑对流换热外,模型还考虑了局部大变形自由表面．在贴体正交曲线坐标系下采用了非交错网格SIMPLE算法离散求解动量方程,计算出了激光熔覆熔池自由表面形状和温度场、速度场及局部特征凝团参.数值结果表明,表面张力温度系数和扫描速度μ0对熔池自由表面形状及熔池内温度分布、速度分布有重要影响．同时进行激光熔覆的工艺实验,实测枝晶二次臂间距（SDAD）的实验结果和数值结果吻合良好．     

Cr12MoV激光熔覆温度场的模拟与验证

为了验证熔池温度场在激光熔覆过程中的变化,利用有限元软件ANSYS建立激光熔覆过程的三维模型,采用移动基模高斯热源对温度场分布进行了动态模拟。分析了激光功率和扫描速度对试样熔覆层宏观形貌、表面硬度及组织的影响。结果表明,熔池呈拖尾状,靠近熔池前方等温线密集,温度梯度大。模型的模拟结果准确、可靠。     

基于旋转GAUSS曲面体热源模型的激光焊接热过程的数值模拟

利用旋转GAUSS曲面体新型热源模型,忽略深熔激光焊时小孔对传热的影响,建立了移动激光热源作用下的三维数学模型.采用PHOENICS3.4软件,模拟了SUS304不锈钢深熔激光焊接热过程的温度场和熔池熔合线形状,得到了激光深熔焊接时的温度场分布规律和"钉头"状的熔池形状,数值模拟结果与实验结果基本吻合.     

不同送粉速度对TC4钛合金表面激光熔覆的影响

采用光纤激光对TC4钛合金表面进行熔覆改性,研究送粉速度对熔覆工艺过程和熔覆层性能的影响。采用高速摄像机拍摄了加热粉末在空间的分布形貌,采用光学显微镜观察了熔覆层横截面形貌,采用EDS分析了熔覆层的氮含量分布,并测量了熔覆层横截面的显微硬度。实验表明,送粉速度较小时,粉末吸收少量激光能量,熔池较大,熔覆层宽而浅;送粉速度较大时,粉末吸收大量激光能量,熔池较小,熔覆层窄而深。当送粉速度较大时,熔覆层的氮元素含量和显微硬度均分布基本均匀,无明显梯度;随送粉速度增加,熔覆层显微硬度会增加,并稳定在约9.3 GPa。     

激光熔覆层温度场和应力场的数值模拟

采用Sysweld软件对激光熔覆钴基合金涂层的温度场、应力场进行了数值模拟.结果表明,随着扫描速度的增加,熔池形状变得窄而长,熔覆层各点的峰值温度停留时间缩短,熔池的深度、宽度相应减小;熔池及热影响区各点的温度随着与激光热源距离的增加而明显降低;此外,随着激光扫描速度的增大,熔覆层的残余应力和残余变形相应增大.     

灰铸铁件激光熔覆NiCuFeBSi合金的气孔行为

通过对比分析45钢与HT250两种基体成形熔覆层内气孔形态,研究了熔覆层内气孔气体类型、分布规律以及影响因素.结果表明,熔覆层内气孔气体为CO,由石墨和氧或氧化物反应生成,气孔形状不规则、具有棱角状特征.气孔上浮形式并非垂直上浮,而是弥散式上浮.熔池内部强对流是影响气孔分布的内在因素.气孔运动幅度取决于熔池对流加速度,熔池温度越高,熔池表面张力梯度也越大,熔池对流的加速度越大.激光熔覆工艺是影响气孔分布的外在因素,适当降低激光功率和扫描速度、提高灰铸铁预热温度可有效消除熔覆层气孔缺陷,降低孔隙率.     

连续激光高速抛光冷作模具钢的表面粗糙度及性能

目的解决连续激光高速抛光模具钢的表面质量与效率问题。方法将连续激光高斯光束通过缩束镜和DOE衍射整形器,转变成平顶激光光束。通过激光抛光工艺参数的优化,将光斑直径为470μm的平顶连续激光束,以之型与方波型组合扫描路径和500 mm/s的高速扫描速度,抛光冷作模具钢Cr12MoV,并通过白光干涉仪和SEM电镜检测其表面性能。结果连续激光高速抛光可将表面粗糙度由原始的1.942μm快速降低至0.26μm,抛光效率比传统机械抛光提高了67%,比人工抛光提高了94%,表面显微硬度提高了125%。结论工艺试验表明,连续激光的光斑扫描路径和直径对抛光表面质量产生深远的影响,对冷作模具钢进行高速抛光时,需要对激光功率、光斑直径、扫描速度、扫描路径和扫描间距等激光加工参数进行优化,在达到相同质量效果的前提下,抛光效率是传统机械抛光效率的8倍以上,是熟练技师人工抛光效率的30倍以上。同时,连续激光抛光显著提高了模具钢的表面显微硬度,无任何污染,是一种绿色制造技术。     

激光熔覆TiC金属基陶瓷涂层的研究

采用自动送粉模式在碳钢表面原位激光熔覆TiC金属基陶瓷涂层。测试了涂层的温度场并模拟计算了光斑能量分布。用XRD表征了粉末和涂层的物相,用SEM分析了涂层表面和横截面的显微组织。研究表明光斑直径大小对熔覆涂层温度分布和涂层微观结构、性能的影响显著。当光斑直径为2.8mm时,能量分布为“尖顶帽状”模式,涂层为均匀的枝晶组织且致密,其显微硬度最高可以达到1280HV。     

Thermal spraying in hardening and reconditioning of machine components

Hybrid welding combining YAG laser or fibre laser with MIG arc was carried out on aluminium alloy, and the effects of set-up conditions of a laser beam and a wire, and the laser beam parameters on wire melting phenomena and gap tolerance in butt joint were investigated. It was found that, in order to obtain a deeper penetration, the laser beam should be separated from the wire with a distance at which there was no direct interaction between a laser beam and a droplet during its transfer. On the contrary, in order to get a wider gap tolerance for a butt joint, for example, it was better for the laser beam to be set to cross with a wire over 2 mm so that the laser beam could directly irradiate on the wire surface to melt it. As a result, the arc current could be decreased so efficiently that the molten pool size formed by MIG is decreased and the gap tolerance increased.

In the case of the utilization of a fibre laser, it was found that the wire melting phenomena were affected by the laser beam parameters such as the beam diameter and the defocused conditions when welding was not done at a focal position. It was clarified that even at the same laser beam diameter on the work surface, the wire melting phenomena could be different under the different defocused conditions. In the defocused conditions where the focal position was over the work surface, the molten droplet on the wire tip evaporated more easily than the case where the focal position was within the work surface.

From the viewpoint of laser absorption by the wire or the molten droplet, according to an arc phenomenon approach, it was found that about 10% of laser energy was absorbed during hybrid welding when the laser beam was directly irradiated on the wire surface.     

环形构件激光束钎焊过程的有限元模拟

对铍环激光束钎焊过程的温度场和应力场进行了有限元模拟。分析采用轴对称模型和热力耦合的有限元方法，并假定沉积到钎缝表面的激光束能量满足Gauss分布。结果表明，焊接温度场分析得到的熔池大小与金相分析得到的焊缝几何尺寸比较一致；在离钎缝2．5mm以内的区域，焊接残余应力非常大，材料发生塑性屈服，环向应力大于轴向应力，从而使得铍环容易发生轴向开裂；远离钎缝区域，铍环内外表面同时发生向内的径向收缩，离钎缝1mm范围内，铍环外表面向外膨胀，内表面继续向内收缩；焊接残余应力主要分布在离钎缝15mm以内的区域。     

基于有限元模拟研究激光除锈时金属基底表面温度场

目的 根据激光除锈后金属基底表面熔池直径,通过有限元模拟,表征激光除锈时金属基底表面温度场分布。方法 考虑到激光除锈时,使用的脉冲激光具有功率小、重复频率大和脉宽短的特征以及金属具有对激光反射率大的特征,采用高斯面热源和有限元网格划分策略,可以较好地实现描述激光除锈时金属基底表面温度场分布。采用白光干涉仪和扫描电子显微镜测量和观察激光除锈后金属基底表面熔池的尺寸。结果 经过反复模拟计算和实验结果对比,最终确定高斯面热源参数为：热源效率48%,高斯系数1,热源半径30 mm。根据金属基底表面单个节点温度与时间的关系,分析表明在激光除锈过程中,金属基底表面形成了一个极快速的加热冷却温度场。结论 根据激光除锈后金属基底表面熔池直径,确定热源模型参数,进而通过模拟计算得到了较为准确的金属基底表面温度场的分布。     

激光扫描焊接熔池及等离子体动态行为

以5A06铝合金为试验材料,采用高速摄影技术对激光扫描焊接过程中的熔池及等离子体羽辉动态行为进行拍摄,对比分析了常规单激光焊接与激光扫描焊接条件下的熔池表面流动特征和等离子体羽辉波动特征. 结果表明,一定条件下的摆动激光光束相比于单激光光束,能够极大地增强等离子体羽辉的稳定性,延长其存在周期,同时熔池流动的方向性增强,稳定性提高,整个焊接液态熔池表面不存在“回流”现象,熔池流动产生的流体动压力对匙孔的冲击力作用降低,匙孔的稳定性提高.     

基于“三明治”方法的激光焊接能量耦合模型(英文)

建立激光与能量耦合模型以研究激光在小孔内的传输和孔壁能量的分布。该模型的主要特点包括:1)小孔和孔内等离子体的逆韧致吸收系数均为实验测量所得;2) 入射激光为高斯分布的聚焦光束而非平行光束;3) 同时考虑了激光光束在孔内多次反射的菲涅尔吸收和逆韧致吸收。计算结果表明:孔壁所吸收的激光能量并不一致;尽管激光未能直接照射孔底,但是小孔孔底所吸收的激光能量最多。基于聚焦光束的特征分析,焦平面的位置对小孔前沿所吸收的激光能量较后沿更重要。     

Numerical simulation of molten pool dynamics in high power disk laser welding

A single-phase problem is solved rather than a multiphase problem for numerical simplicity: and the solution is based on the assumption that the region of gas or plasma can be treated as a void because solid or liquid steel has a greater density level than gas or plasma. The volume-of-fluid method, which can calculate the free surface shape of the keyhole, is used in conjunction with a ray-tracing algorithm to estimate the multiple reflections. Fresnel's reflection model is simplified by the Hagen-Rubens relation for handling a laser beam interaction with materials. Factors considered in the simulations include buoyancy force, Marangoni force and recoil pressure; furthermore, pore generation is simulated by means of an adiabatic bubble model, which can also lead to the phenomenon of a keyhole collapse. Models of the shear stress on the keyhole surface and of the heat transfer to the molten pool via a plasma plume are introduced in simulations of the weld pool dynamics. Analysis of the temperature profile characteristics of the weld bead and molten pool flow in the molten pool is based on the results of the numerical simulations. The simulation results are used to estimate the weld fusion zone shape; and the results of the simulated fusion zone formation are compared with the results of the experimental fusion zone formation and found to be in good agreement. The effects of laser beam profile (Gaussian vs. measured), vapor shear stress, vapor heat source and sulfur content on the molten pool behavior and fusion zone shape are analyzed.