等离子熔积制造中应力场的有限元分析

在等离子熔积制造中，随着热源不断移动，熔积层不断生长。由于等离子弧属于高能束热源，移动熔积过程中熔积层极冷极热，产生热应力，在冷却后仍有较大的残余应力，易产生热裂纹。研究影响等离子熔积成形应力场的熔积运动速率和冷却条件对热裂纹的控制有重要意义。采用有限元法分析了等离子熔积成形过程中的传热过程。根据高温合金的材料特性，选取不同的熔积运动速率，计算出成形过程中的热应力场。计算结果表明，随着熔积速率的增加，热应力峰值减小，应力场分布趋向均匀，冷却后得到的残余应力较小。     

铸铁激光熔覆片状石墨与球状石墨应力场分析

为减少熔覆开裂,进一步了解铸铁激光熔覆过程中结合区微裂纹萌生机制,基于激光熔覆三维热-力耦合模型,选取其中的单元建立石墨相微观模型,分析片状与球状石墨周围的应力特征。计算结果表明,片状石墨尖端存在较大的拉应力集中,极易导致微裂纹萌生。球状石墨周围为高应力区,微裂纹主要产生于球墨周围,相对于片状石墨,其应力约降低50 MPa,微裂纹的萌生相对减少。     

镜板铸件表面缺陷的激光熔覆修复工艺研究

利用Ansys生死单元技术建立了激光熔覆修复镜板有限元模型,采用APDL参数化语言编程实现激光熔覆过程的数值模拟。分析了激光熔覆残余应力,分析了激光功率及扫描速率对应力的影响。结果表明:熔覆层与基体结合处应力集中,易产生裂纹;在满足修复质量的前提下,较小的激光功率及较大的扫描速率,能降低热应力,降低裂纹的倾向。     

激光熔覆成形的熔池形貌及熔池温度研究综述

激光熔覆成形技术是一个涉及到光、粉、气多物理场耦合的复杂过程,其最小的成形单元熔池是整个累加制造的基础,熔覆过程中熔池的稳定能提高成形的尺寸精度和熔覆质量。通过工艺参数优化、数值模拟、在线监控构建闭环控制等方法,对熔池几何形貌、熔池温度进行控制,保证熔覆过程中熔池的几何形貌和温度的稳定,能有效提高熔覆质量。总结了近年来国内外关于激光熔覆成形的熔池形貌及熔池温度的研究现状以及发展趋势。     

路径设置对304不锈钢激光熔覆温度场及应力应变场的影响

利用SYSWELD软件对304不锈钢激光熔覆成形过程的温度场及应力-应变场进行数值模拟。在304不锈钢基板材料上熔覆钴基合金,模拟铺粉式单层多道搭接激光熔覆成形在不同扫描路径下的温度场及应力-应变场的变化情况,从而优化激光熔覆工艺参数。结果表明,在相同熔覆工艺参数的情况下,以平行线扫描方式中的长边螺旋扫描路径进行激光熔覆时,产生的热影响区、残余应力、曲翘变形等相对较小,温度梯度及整体位移量也很小,使激光熔覆的工艺性能得到改善。     

电磁场辅助激光熔覆技术的研究进展

激光熔覆技术在装备制造、石油化工等领域有着广泛应用,但熔覆层裂纹、气孔和夹杂、溶质元素分布不均匀及表面起伏等问题严重制约了其应用。因而,提高熔覆层质量,特别是减少高硬材料熔覆层裂纹,对发展激光增材制造和再制造技术具有重要意义。电磁场辅助激光熔覆技术具有组合形式多样、工艺可控性强、作用效果显著等特点,通过在激光熔覆过程中施加电磁场,利用电磁力对熔池的搅拌作用改变传质传热过程,可以实现提高熔覆层质量、细化微观组织、改善性能的目的。在介绍电磁场辅助激光熔覆技术的应用背景及技术特点的基础上,系统总结了国内外关于电磁场辅助激光熔覆技术相关研究的最新进展。梳理概括了电磁场对激光熔覆过程的影响机制,讨论了电磁场对熔体运动行为和凝固过程的影响机理。电磁场对熔体运动行为的影响主要体现在电磁搅拌效应、电磁制动效应、热电磁流体效应、电迁移效应、趋肤效应等方面;对熔体凝固过程的影响主要体现在晶粒破碎作用、原子团起伏效应、焦耳热效应等方面。同时,详细分析了不同电磁场形式(单一磁场、单一电场及电磁复合场)对激光熔覆涂层组织和性能的影响,并对比分析了不同电磁场形式的优缺点和差异性。归纳了现阶段应用于电磁场辅助激光熔覆的涂层材料体系,包括铁基涂层、镍基涂层、钴基涂层及复合涂层,重点讨论了电磁场对各类涂层组织成分均匀化和析出相及强化相分布规律影响的内在机理。同时结合电–磁–超声多场耦合辅助激光熔覆技术的最新成果,阐述了电磁场和超声场的耦合作用对激光熔覆涂层的影响。最后对现阶段电磁场辅助激光熔覆技术存在的问题及未来发展方向进行了展望。     

QT600球墨铸铁激光熔覆数值模拟与实验研究

目的 揭示QT600球墨铸铁激光熔覆动态演化过程的机理,为球墨铸铁熔覆过程中拓宽熔覆材料范围、优化工艺参数、改进熔覆质量提供理论依据。方法 同时考虑移动高斯热源、材料物性参数温变影响、熔池表面张力和浮力对熔融态金属流动的Marangoni效应等因素,建立球墨铸铁激光熔覆多场耦合三维数值模型。通过QT600球墨铸铁激光熔覆实验,利用Zeiss?SIGMA HD场发射SEM观察熔覆层的形貌及显微组织,采用QNESS?Q10M硬度仪测试熔覆层和基体显微硬度。结果 在光源中心形成了“椭球”状热影响区,沿激光扫描方向温度明显呈单峰分布,且周期性前移,流速在1 s时达到0.24 m/s,前半部熔池呈顺时针环流,后半部熔池呈逆时针环流,在活性元素影响下将导致熔池环流发生逆转。受温度梯度的影响,光斑后方呈收缩状应力带。数值模拟熔覆层形貌与实验一致,显微组织形态符合快速凝固原理的变化规律,验证了模型的有效性,熔覆层硬度明显高于基体,约为基体的1.6倍。结论 数值模拟揭示了温度场、流场、塑性应力场瞬态演变规律,实验表明激光熔覆IN625合金粉末可有效改善球墨铸铁件的表面质量,提高其力学性能。     

多元合金激光增材制造凝固组织演变模拟

针对多元合金激光熔覆过程，基于有限元方法和元胞自动机技术建立了多元合金激光熔覆熔池三维传热传质及凝固组织形貌演变模型，通过自行开发的宏微观耦合接口程序实现了三维熔池模型和多元合金凝固组织演变模型的耦合. 针对IN718激光熔覆过程中的传热传质和凝固组织演变过程进行了模拟，研究了基板初始晶粒尺寸、异质形核及多层熔覆扫描路径对熔覆层凝固组织形貌的影响机理，并对模拟结果进行了试验验证. 结果表明，模拟结果与实际物理过程吻合较好，所开发的耦合模型能够真实反映多元合金激光熔覆过程.     

焊接多物理场耦合数值模拟的研究进展与发展动向

现代焊接工艺涉及力、热、电、磁、光、声等一切可以利用的能源及其与被焊材料的相互作用,本质上是传热、冶金、力学等多学科、多物理场强耦合的复杂过程.深入了解和掌握焊接工艺涉及到的复杂多物理场耦合及其相互作用机制,对于实现焊接加工过程的优质、高效、低耗与清洁,具有重要意义.本文论述了焊接热过程与熔池－小孔动态行为、焊接应力与变形、接头组织与性能等领域数值分析与预测技术的关键理论基础与技术方法.重点介绍了激光－熔化极电弧复合热源焊接、受控脉冲等离子弧焊和搅拌摩擦焊工艺过程数值分析的最新成果.在此基础上展示焊接多物理场耦合数值模拟领域的研究进展与发展动向.     

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.     

多道激光熔覆温度场的有限元数值模拟

分析了激光熔覆过程中温度场的主要影响因素,在主要考虑边界条件和热源数据的基础上,建立了送粉式激光熔覆多道搭接情况下温度场的有限元计算模型,并对板材上搭接三道熔覆层的熔覆温度场进行了三维数值模拟,得到了每道熔覆层上中心点的温度变化规律.结果表明,在激光熔覆过程中每道熔覆层中心点上的温度随时间延长呈锯齿状变化,且每个中心点所能达到的最高温度并不相同.此外,搭接情况下,熔覆层中心点每次升温前的最低温度是随着熔覆顺序的进行而逐渐升高的,且升高趋势类似于抛物线.此计算结果合理,为研究应力场和应变场的变化规律打下基础.     

双向扫描激光熔覆止裂机理及试验分析

针对激光熔覆过程中易出现的熔覆层开裂的问题,采用了单向送粉双向扫描激光熔覆工艺,较好地抑制了熔覆层的开裂.通过对激光熔覆过程温度场、应力场进行计算分析,发现采取单向送粉单向扫描工艺时,熔覆层顶部以及与基体接合处会出现明显的应力集中现象,且应力水平较大,而采取双向扫描工艺后,熔覆层内拉应力水平显著降低,且熔覆层顶部的应力...     

激光相变强化非稳态温度场的研究

采用有限差分方法计算激光相变强化三维非稳态温度场。用间歇跳跃式移动光源来模拟激光的连续扫描，考虑了涂层在热传递过程中的“媒介”作用以及相变潜热、材料热物性参数随温度改变等因素的影响。对计算结果进行分析，并与实验数据和其它模型相比较。     

SIMULATION OF TEMPERATURE AND THERMAL STRESS FIELD IN LASER MILLING PROCESSING

The physical model of temperature field and thermal stress field are established in this paper,on which the numerical simulation with the assuming physical and laser milling parameters have been finished. The laser milling process can be explained.     

镀锌板激光钎焊温度场的数值模拟

以镀锌钢板为母材，以CuSi3焊丝为钎料，进行了单、双光束激光钎焊实验．在分析单、双光束激光填丝钎焊传热行为的基础上，采用有限元方法对激光钎焊温度场进行了数值模拟，提出了激光填丝钎焊热源模型．采用体热源来模拟熔化钎料铺展流动引起的传热，模型考虑了热物性参数随温度的变化带来的非线性影响以及潜热、辐射和对流对传热的影响．对典型激光钎焊工艺参数下的温度场进行计算，结果表明：单光束激光钎焊有较高的温度梯度，而2mm焦点间距的双光束钎焊接头峰值温度和温度梯度低，高温区域宽，更适合于获得良好的钎焊接头．     

连续/脉冲激光再制造温度场有限元分析与试验验证

以减少成形过程热输入,控制热影响区分布及成形层应力分布状态为目标,通过"生死单元"的有限元分析方法动态模拟激光再制造成形过程,对比分析连续/脉冲模式激光再制造温度场,采用非接触式红外测温仪验证分析结论,并就连续和脉冲工艺进行再制造成形对比试验验证。分析和试验结果表明:脉冲模式优化工艺参数为激光功率1.2 k W,光斑直径3 mm,扫描速度5 mm/s,单道成形层宽度3.2 mm,脉冲激光脉宽10 ms,占空比1:1;相同成形工艺和散热条件下,连续输出模式下多层成形层熔池温度最大值约为1400℃,较脉冲模式约高出170℃,且具有更大的热输入及热影响区范围,相关工艺及方法为叶轮叶片激光再制造提供分析和借鉴。     

激光穿透焊温度场及流动场的数值模拟

建立了复合热源作用下的激光穿透焊接熔池流动三维计算模型,热源由作用在激光表面的高斯热源以及沿激光入射方向的柱状热源组成,分别考虑了等离子体和小孔吸收机制。通过添加源项的办法解决了过渡区相变问题,从而将固态区和液态区组合一起求解,简化了固液边界条件的处理难度。通过TC1钛合金激光焊接试验验证了模型的正确性,计算所得的熔池截面与试验结果吻合良好。结果表明,Marangoni对流是形成激光穿透焊“沙漏”状熔池形貌的主要原因。     

旋转磁场对激光熔凝钛合金熔池的影响研究

本文运用有限元方法对不同频率下电磁搅拌辅助装置中心处磁场强度以及熔池电磁力进行了模拟分析,并研究了旋转磁场对熔池电磁力和熔池温度分布及流场影响,结果表明当电流频率增大时,熔池中电磁力首先有缓慢减小趋势,同时功率损耗迅速增大,当频率继续增大时,电磁力逐渐增大,此时功率损耗基本趋于稳定;在激励电流变化的一个周期内,搅拌装置中磁场强度也发生周期性变化。在施加旋转磁场条件下,熔池整体温度有所降低,温度梯度减小,熔池内形成围绕熔池做周向流动的环流,流速分布均匀。     

AZ91D 镁合金表面激光熔覆 Al-Cu 合金的温度场模拟与验证

目的确定AZ91D镁合金表面激光熔覆Al-Cu合金的最佳工艺参数。方法利用有限元软件ANSYS建立移动高斯热源作用下的温度场三维模型,对不同参数下激光熔覆过程中的温度场进行动态模拟,确定工艺参数。结果熔池中心的温度随着激光功率的增大而增大,随着热源移动速度和光斑直径的增大而减小。温度过高时,熔覆层下塌且内部出现裂纹;温度过低时,熔覆层上有大量的金属颗粒且内部含有夹杂物。结论当功率为240 W、扫描速度为2.5 mm/s、光斑直径为0.6 mm时,熔池中心的温度约为1100℃,熔覆层与基体接触面的温度约为700℃。在此参数下得到了表面成形光滑且与基体结合紧密的致密熔覆层。     

CALCULATION OF 3-D TRANSIENT TEMPERATURE FIELD DURING LASER TRANSFORMATION HARDENING PROCESS

1.IntroductionLasertransformationhardeningprocessisathreedimensiontransientheattransferproblemwhichinvolvesinphajsetransformation,heatconduction,heatconvectionandheatradiation.Thecalculationoftemperaturefieldoflasertransformationhardeningprocessisaprerequisitetotheoptimizationofparametersoflasertransformationhardening.Thisworkstartedintheearlyof1970',uptonow,alotofmodelsandcalculationmethodswereproposedtocalculatethetemperaturefieldoflasertransformationhardeningprocessll--gi.Allthesemodelsareb…