激光熔覆温度场的数值模拟研究进展

介绍了激光熔覆温度场的数值模拟现状,结合影响模型建立的几个主要因素,综合分析了现有模型的优点及不足,指出了进一步发展该领域所需完善的几个问题。     

送粉激光熔覆过程中熔覆轨迹及流场与温度场的数值模拟

提出了一种送粉激光熔覆中熔覆层表面形状及厚度的计算模型。将熔覆过程中固相区、两相区和液相区作为一连续介质，用非稳态固液相变统一模型来描述其流场与温度场，并采用固定网格移动坐标来处理带移动热源的流动与传热问题。能量方程用显焓表示，有关潜热的非稳态项与对流项均做为其源项处理。用Lambert—Beer定理和米氏理论计算粉末流与激光光束的相互作用，使模拟适用于送粉浓度较大的情形。数值模拟程序是在流体动力学软件PHOENICS基础上，通过添加源项、边界条件、熔覆层轨迹计算以及激光束和粉末流相互作用等相应模块实现。对钢基底上熔覆钴基合金Stellite6进行模拟所得到的计算结果与实验结果基本一致。     

高温合金激光熔覆过程温度场的数值模拟

在考虑高温合金K417G相变潜热、热物性参数随温度变化、对流与辐射总的换热系数随温度变化的条件下，采用有限元软件ANSYS建立了高温合金激光熔覆动态三维温度场模型。结果表明：在激光熔覆的初始阶段和最后阶段温度迅速上升，中间阶段各个节点有基本相同的热循环曲线，只是时间的先后不同；沿激光束扫描方向和与扫描方向垂直的方向都存在极大的温度梯度，温度梯度的存在引起较大的热应力，而热应力的存在是激光熔覆过程易产生裂纹的主要原因。     

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。     

激光熔覆镍基合金温度场和应力场数值模拟

文中采用SYSWELD软件分别对激光单道和搭接熔覆过程进行模拟分析. 结果表明,激光熔覆处理时经历了快速加热、快速冷却的过程,具有较高的过热度,单道处理时熔覆层表面中心点峰值温度最高,可达2 589 ℃;随着远离熔池中心,各点峰值温度逐渐降低. 激光单道处理后,熔覆层内受拉应力,最大值出现熔覆层与基体交界处,热影响区受压应力. 搭接处理后第一道熔覆层仍受拉应力,但拉应力值明显降低,最大值在热影响区. 由于第一道熔覆的预热作用,第二道各点峰值温度均高于单道处理,应力最大值出现在靠近熔覆层底部位置,而热影响区受压应力.     

激光多层熔覆成形温度场数值模拟和工艺优化

对激光熔覆成形制造过程中进行多层熔覆时的传热行为进行了数值模拟,分析了激光功率、扫描速度、扫描间隔时间以及对流换热系数对多层熔覆成形中熔池尺寸及其稳定成形的影响,获得了保持熔池尺寸和成形条件稳定条件下的优化的激光熔覆工艺参数.     

送粉多道搭接激光熔覆温度场的数值模拟

运用ANSYS有限元分析软件,对送粉式多道搭接激光熔覆过程的温度场进行了数值模拟。考虑到材料热物性的非线性特征以及对流换热的边界条件,建立了三维有限元模型;送粉过程及熔覆单元的生长过程采用"生死单元法"来实现。结果表明:在多道搭接激光熔覆过程中,先凝固的熔覆道对后续搭接熔覆道有预热作用,两者之间存在一个初始温度差;在熔覆层中,搭接区的温度高于其它区域,存在重熔现象;熔覆层每道熔池节点的热循环曲线呈现周期性变化且基本相似;熔覆层易出现端部效应问题;熔覆层中上部温度梯度沿激光扫面方向水平分布,下部与扫描方向垂直分布,在基体与熔覆层交界处温度梯度出现突变和最大值,是裂纹高发区。     

激光熔覆过程热力耦合有限元温度场分析

根据激光熔覆的特点，建立了激光熔覆温度场分析模型，对送粉激光熔覆过程温度场进行了有限元分析。分析结果表明，熔覆层最高温度与激光功率、基体预热温度成正比例关系，而最大冷却速率与激光功率、基体预热温度成反比例关系。提高基体预热温度对降低熔点处材料冷却速率效果显著，而提高激光功率对降低熔点处材料冷却速率有一定作用，但效果并不明显。     

6061铝合金表面激光熔覆温度场的模拟与验证

根据激光熔覆的特点,建立了移动激光高斯热源作用下三维激光熔覆温度场的计算模型,利用有限元软件ANSYS对温度场分布进行了动态模拟.结果表明,激光熔覆温度场模拟等温线呈椭圆形,在移动热源的前方等温线密集,温度梯度较大,热源后方的等温线稀疏,温度梯度较小.采用高功率连续波Nd:YAG激光在6061铝合金表面激光熔覆SiC陶瓷粉末,形成SiCp/Al金属基复合材料改性层,熔覆层除含有Al,SiC之外,还含有少量的Al4C3,Al4SiC4相,通过熔覆层组织形貌观察及相结构分析验证了模拟结果的准确性和可靠性,为陶瓷-金属基复合材料激光熔覆工艺参数的优化提供了理论依据.     

曲面基底工件激光熔覆温度场与应力场数值模拟

目的 研究曲面基底工件激光熔覆的温度场和应力场分布情况。方法 采用数值模拟的方法模拟激光熔覆及冷却过程中的温度场和应力场。通过Ansys软件,采用高斯热源模型模拟圆环柱曲面基底外表面上的激光熔覆过程。在加工过程中,激光头与基底的相对运动为螺旋运动。分析不同功率和扫描速度对温度场和残余应力的影响,以及应力场随时间的变化和残余应力的分布情况。结果 扫描速度对温度场的影响较大,功率和扫描速度对残余应力无明显直接影响,不同功率和扫描速度的残余应力最大值都出现工件外壁中部。在XZ轴面上的径向应力呈现出漏斗形,四周高,中间低,大部分都在–20～20 MPa,起伏较小;周向应力在XZ轴面对角线方向上呈近似抛物线,两端高,中间低,最高值为100 MPa,最低值为–50 MPa,起伏较大;厚度方向的应力分布呈近似半圆锥三维形状,在Z轴方向上为近似直线,在X轴方向上为近似半抛物线,呈现出一端高、一端低、中间部分逐渐下降的趋势,最高值为110 MPa,最低值为–30 MPa,起伏较大。结论 成功研究了曲面基底工件激光熔覆的温度场和应力场分布情况,对曲面基底激光熔覆的工艺参数优化和提高产品质量有一定指导作用。     

中空环形激光熔覆层温度场与应力场的数值模拟研究

目的研究基于"光束中空、光内送粉"工艺下中空环形激光熔覆层温度场分布规律、应力演化过程及沿熔覆层深度方向上的残余应力分布,为调控或降低光内送粉激光熔覆层残余应力提供参考。方法采用ANSYS软件APDL语言建立单道熔覆层物理模型,利用生死单元法模拟激光加载,从而得到温度场结果,在此基础上进行热力耦合,分析熔覆层内应力演化过程,在熔覆层深度方向上建立路径,得到沿路径方向上的残余应力分布结果,最后进行实验测定。结果当采用中空环形激光束加载时,光斑温度分布呈"马鞍形",熔覆层横切面上温度分布形状呈对称的"W"形,两侧温度高,中间温度低,熔覆层上表面扫描路径上的节点在扫描过程中都会经历两次温度峰值,且第二次温度峰值要高于第一次。热应力随着扫描过程进行而不断变化,由起初产生的熔覆层压应力逐渐转化为拉应力。沿扫描方向上的残余应力值最大,可达到273 MPa。熔覆层深度方向沿扫描方向上的残余应力值在上表面位置有最大值235 MPa,熔覆层与基材接合面处有最小值185MPa。最后结合实验测定,数值计算与实验结果一致。结论中空环形激光光斑"马鞍形"式的能量分布使得熔覆层温度分布更为均匀,可有效降低温度梯度。环形光斑后半环高温区域的重熔作用有利于能量的再分配,有利于减缓应力集中。熔覆层深度方向沿激光扫描方向上的残余应力分布,随着深度的增加而逐渐减小。     

激光熔覆齿轮齿面的应力场有限元模拟

主要采用ANSYS软件,考虑曲面对激光功率分布不均的影响,应用有限单元法对熔覆层应力场和残余应力分布进行数值模拟,分析应力的产生和影响过程并与实验结果做对比分析。结论为激光功率越高,送粉速度越快,应力值越大。     

激光熔覆工艺热-弹-塑-流多场耦合数值模拟与试验

熔覆过程存在极其复杂的传热及热-弹-塑-流多场耦合变化,将影响对流、传热、传质、凝固和相变,而熔覆中的急冷急热会产生复杂的残余应力与变形,产生熔覆裂纹,影响熔覆层质量。揭示熔覆过程中多场耦合演变机理是控制和避免产生熔覆裂纹的关键。文中以CALPHAD法计算温变物性参数,建立了碟片激光器激光熔覆过程多场耦合模型,综合考虑了光束与粉末间的相互作用,熔池表面张力、浮力对液态金属流动的影响,熔覆带的瞬时变化,计算得出了熔覆过程温度场、速度场、应力场的瞬时变化规律。运用Zeiss-∑IGMA HD扫描电镜进行金相实验,验证了所建模型的准确性。计算表明：形成近似2 mm×1.5 mm×1 mm椭球体熔池,最高温度在光斑中心偏后位置;700 ms后,等效热应力稳定在548 MPa左右,熔池底部热应力最大。该研究为减小和消除残余应力提供了有效途径与方法。     

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.     

铜包铝立式充芯连铸圆坯温度场数值模拟

建立了铜包铝立式充芯连铸圆坯的凝固传热数学模型,并应用有限元软件ProCAST模拟了它在不同冷却条件下的温度场,模拟结果与实验结果基本相符,可用于优化充芯连铸工艺参数.     

数值模拟和稀土调控改性结合优化铝合金表面激光熔覆

目的 改善铝合金激光熔覆后强化层的缺陷,丰富铝合金表面激光熔覆裂纹形成机理及防止措施的基础理论。方法 将优化激光熔覆的工艺参数和稀土调控改性相结合,通过ANSYS 14.0有限元分析软件,对6063铝合金表面激光熔覆制备Ni60合金强化层的过程进行温度场和应力场的数值模拟,从而为铝合金激光熔覆的工艺参数优化提供参考,并通过实验对工艺参数进行了优化。然后在6063铝合金表面,采用优化的最佳工艺参数激光熔覆Ni60+稀土Y2O3的合金粉末,研究不同稀土含量对强化层的影响,获得最佳的稀土含量,探讨激光熔覆裂纹形成机理和防控措施。结果 通过有限元模拟,优化激光熔覆工艺参数后,制备不同稀土含量的铝合金强化层。未加入稀土时,Ni60强化层中出现大量的气孔和裂纹;当稀土含量少于4%时,强化层的气孔和裂纹数量随稀土含量的增加而减少;当稀土含量为4%~5%时,强化层厚度达到1000 μm,截面形貌无明显气孔、裂纹,截面形貌较好;当稀土含量超过5%时,气孔和开裂现象增加。通过对强化层残余应力进行模拟分析,铝合金激光熔覆强化层开裂的形成机理为凝固裂纹和液化裂纹。结论 将有限元数值模拟优化激光熔覆的工艺参数和稀土调控改性结合起来,可以很好地改善铝合金表面激光强化层开裂的问题。