激光宽带加工数值模拟中的热源模型

针对宽带激光表面强化过程,建立了激光宽带热源理论模型.基于有限元软件SYSWELD进行了激光熔凝数值模拟,将模拟计算得到的光斑作用区形貌尺度、三维瞬态温度场分布和热循环曲线进行了对比与分析.42CrMo板材表面激光宽带熔凝的试验验证表明,宽带热源模型得到的热源光斑及"平底锅"状熔凝区截面与实际相符合,熔凝区截面尺寸和试验结果一致,可以获得沿激光扫描方向合理的瞬态熔池分布,试验测定的热循环曲线与模拟值逼近.激光光斑辐照作用使得工件表面经历了一个急剧加热、快速冷却的过程,同已有的其它热源模型相比较,使用宽带热源模型计算得到结果更符合实际,可以准确地模拟激光宽带加工过程.     

激光焊接热源和焊速对温度场影响的数值模拟

利用不同的工艺参数,进行A304不锈钢薄板激光对焊试验。建立了激光焊接的三维有限元模型,通过有限元方法,分析了热源模型和焊接速度对激光焊接过程中温度场和熔池形状的影响。结果显示,热源和焊速对温度场和熔池形状有很大影响,应用旋转高斯曲面热源模型得到的熔池形状与试验结果吻合良好。     

宽带激光熔凝过程温度场及残余应力数值分析

基于激光宽带熔凝强韧化处理过程,利用有限元软件SYSWELD建立三维有限单元模型,通过设定精确的边界计算条件,同时考虑材料组织与性能随温度的变化,模拟工件表面的温度场和残余应力.考虑了相变潜热、导热系数等材料热物性参数随温度变化等因素的影响,研究激光宽带熔凝加工瞬态温度场和热应力的分布规律.对计算结果进行分析,并与实验数据相比较.结果表明,通过瞬态温度场分布,能够逼真地反映温度变化规律;宽带激光熔凝后,在工件表面获得了有利的残余压应力分布,热影响区存在应力突变.     

激光焊接铝合金材料过程的建模与仿真

在试验基础上,利用有限元软件ANSYS对3A21铝合金材料激光焊接温度场进行了动态模拟。通过对激光焊接非线性瞬态过程的分析,分析与温度场有关的潜热、热传导、对流、辐射等材料热物理属性,建立了激光焊接的移动热源模型。仿真结果表明:激光焊接薄板铝合金的温度场梯度大,热影响区小;温度场中各点温度呈指数式升高和衰减;焊缝和近焊缝区温度升降急剧,焊缝宽度的仿真结果与试验结果相一致,从而验证了所建立的移动热源模型在激光焊接铝合金薄板温度场模拟中的适用性,在一定程度上揭示了激光焊接的成型机理。     

“GAUSS+半椭球”热源模拟激光焊接北大核心

为了模拟7A52高强度铝合金激光焊接焊缝熔池轮廓形貌,根据7A52高强度铝合金的元素含量、物理性能建立材料文件;分析材料不同物态对激光的吸收和衍射,建立一种新型热源模型,命名为“GAUSS+半椭球”热源模型。施加“GAUSS+半椭球”热源、双椭球热源、三维高斯圆锥热源模拟焊缝截面形貌,提出以模拟与试验的焊缝截面面积之比为度量模拟准确率的方法。结果表明,“GAUSS+半椭球”热源模拟焊缝截面形貌的准确率为81.9%,其他热源的准确率分别是57%和73.6%。明确了新型复合热源模型能准确地模拟出缝截面熔池轮廓及温度场分布,模拟结果与试验结果吻合度高,有助于确定焊接工艺参数。     

基于CuSi3焊丝的镀锌钢板激光钎焊温度场及接头组织分析

采用焊接试验与焊接数值仿真相结合的方法对镀锌钢板CuSi3焊丝激光钎焊焊接温度场进行研究,使用高斯面热源和旋转高斯体热模型构成的组合热源模型对温度场数值模型进行计算,根据试验和数值计算结果分析激光钎焊过程中焊接线能量对接头显微组织及温度场分布的影响规律。焊接接头母材区主要为尺寸均匀的细密等轴晶,而焊接热影响区主要为垂直于温度场等温线并朝向热源方向生长的柱状晶,柱状晶的宽度随着靠近热源在不断生长;随着焊接线能量的提升,焊接接头截面的钎缝深宽比也展现出增大的规律;表面焊缝中心温度场分布梯度较小,焊接线能量对焊缝中心峰值温度影响不大;焊缝边缘贴近母材区域温度在四种试验参数下均高于锌镀层沸点,从而导致焊接试件表面产生气孔。     

激光焊接圆锥体热源模型及参数研究

激光焊过程中包含了一系列复杂的物理、化学反应现象.为合理描述激光焊温度场,采用圆锥体热源模型,用有限元分析软件ANSYS对激光焊温度场进行计算模拟,得到相应的温度场分布及焊缝熔深、熔宽.计算结果表明,所用圆锥体热源模型能较好符合试验结果,有效反映实际激光焊过程.同时根据试验测得的焊缝形状,结合数值模拟,用反演方法给出了模型参数的计算公式.该公式可以实现一定焊接工艺条件下确定激光焊接圆锥体热源模型的参数,并方便进行激光焊温度场模拟和焊缝宽度的预测.     

铸铁表面激光熔凝行为及温度场数值模拟

为明确铸铁表面激光熔凝过程的热响应规律,考虑随温度变化的材料热物性参数和相变潜热影响,建立铸铁表面激光动态熔凝的三维数值模型并进行了验证,预测值与试验值吻合良好,采用该模型分析了热响应温度场规律及不同工艺参数的映射关系.结果表明,铸铁表面激光熔凝较钢材可获得更大的熔透深度,熔池内、外形成较大温度梯度且分别以深、宽方向分...     

激光-等离子弧复合焊温度场的数值模拟

利用峰值热流随深度衰减的高斯体热源与高斯面热源相结合的方法,建立了激光等离子弧复合焊三维运动热源模型,重点考虑了由热源间距引起的激光束与等离子弧之间相互作用对热源模型的影响.基于所建立的热源模型对2 mm厚1420铝锂合金板的激光等离子弧复合焊接温度场进行了有限元分析,得到了不同热源间距条件下焊接区域的温度场分布.结果表明,仿真结果与试验结果相符合,证明了该热源模型是反映了客观实际的.此工作对于激光电弧复合焊接传热及工艺研究具有指导意义.     

铝合金激光焊接过程有限元模拟与分析

激光焊接铝合金过程非常复杂,针对铝合金激光焊接过程的实际情况建立了有限元模型,试图通过有限元模拟的方法揭示激光焊接过程的特点.建模过程中激光热源模型考虑了表面热源和体热源,分别反映等离子体的影响和激光束的作用.利用有限元模型分析了激光焊接过程中小孔的形成和长大过程,同时将模拟结果与试验结果进行比较,模拟出的焊缝宏观截面形状与试验结果表现出较好的一致性,证明所建立的有限元模型是合理的.有限元模型可以用来预测实际焊接过程中不同焊接工艺参数下焊缝的成形情况,可以为激光焊接工艺参数的选择提供理论指导和参考,更好地发挥铝合金激光焊接的优势.     

光斑尺寸对42CrMo钢激光深层淬火硬化层几何特征的影响

目的提高42CrMo钢激光淬火后硬化层的深度和分布均匀性。方法利用COMSOL Multiphysics软件对42CrMo钢激光淬火过程中温度场的演变进行分析,且考虑材料的热物性参数随温度变化。通过设定激光工艺参数模拟试样的温度场分布,利用马氏体转变条件得到硬化层形貌尺寸。参照模拟结果,利用连续输出的光纤耦合半导体激光器对42CrMo钢进行激光淬火实验,用热电偶测温仪对试样测温并与模拟的温度历史曲线进行对比,用光学显微镜对试样横截面处硬化层形貌进行分析,将实验所得硬化层形貌与模拟结果进行比较。并在相同的功率密度下,改变光斑的几何尺寸进行模拟,分析并比较硬化层的几何特征。结果实验所测某点的温度历史曲线与模拟结果一致性较高,硬化层实际形貌与模拟结果基本吻合。在激光功率密度不变时,随着垂直于扫描方向上的光斑宽度增加,硬化层宽度呈正比例增加,硬化层深度则先增后减,距离硬化层中心最深处相同距离点的曲率则逐渐减少。结论通过优化激光淬火工艺参数,控制激光淬火的热传导时间和深度方向的温度梯度分布,可以在表面不熔化的前提下,获得较深的硬化层。光斑尺寸对42CrMo钢激光深层淬火硬化层深度和硬化层均匀性有较大影响,选择较大的光斑宽度可以得到更为均匀的硬化层。     

45钢表面激光重熔温度场数值模拟

根据传热学理论和数值模拟方法研究温度场的分布规律,在考虑了热物性参数、换热系数、相变潜热随温度变化的因素,应用ANSYS有限元软件的参数化设计语言建立了45钢表面激光重熔连续移动三维瞬态温度场有限元模型。结果表明:提高激光功率对增大相变硬化区效果不大,反而形成较大的熔池而使重熔表面粗糙。与激光功率相比,激光扫描速度对试样温度场的影响较小。经过激光重熔后,形成重熔区、相变硬化区和基体三个区域。实验结果较好地验证了模拟结果,表明所建立的温度场计算模型是正确和可靠的。通过该计算模型,可以掌握金属表面激光重熔过程加热和冷却规律,为制备高性能表面改性层选择合适的工艺参数提供依据。     

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

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

45钢电子束相变硬化温度场数值模拟与实验验证

建立了移动电子束高斯热源作用下的三维相变硬化过程中温度场的数学模型,分析过程中考虑了热源分布、热物性参数、热辐射等因素对温度场的影响,得到了电子束扫描相变硬化温度场的分布规律和硬化层的形态,并进行了实验验证;探讨了电子束工艺参数对硬化区深度和宽度的影响。结果表明:移动电子束高斯热源作用下的温度分布等值线呈勺状,表面最高温度滞后于束流中心,且处理后硬化层横截面呈月牙状;在固态相变条件下,硬化层的宽度和深度随着扫描功率的增加呈非线性增加,随着扫描速度的增加呈非线性减小。     

Particles migration behavior during laser keyhole welding of ZLIO1/TiB2 composites

Particle redistribution occurred with the flow of pool fluid in laser welding aluminum composites. In order to investigate particle migration behavior, a numerical model was established on laser welding of ZL101-TiB2 composite. TiB2 migration coupling with fluid was realized. The volume-of-fluid (VOF) method was employed to track free fluid surfaces. The travel heat source was realized utilizing the workpiece motion in place of heat source motion, which made the heat load stable. Melting and evaporation enthalpy, recoil force, surface tension and buoyancy were considered in this model. Through the calculation it showed that the simulated weld cross section shape and particle distribution were in good agreement with experimental results.     

激光+GMAW复合热源焊接过程热-力耦合数值分析

从宏观的焊接热过程出发,根据激光+GMAW复合热源焊接的特点,提出了适用于复合热源焊接的“双椭球体＋峰值递增圆柱体”组合式体积热源分布模式;建立了激光+GMAW复合热源焊接过程的有限元模型,数值计算了焊接温度场和焊缝横截面的形状尺寸,计算结果与试验结果吻合良好,证明了组合式体积热源模型的合理性和适用性. 采用焊接温度场的计算结果,进一步对复合热源焊接和GMAW的焊接变形和残余应力进行了数值模拟和对比分析. 结果表明,在焊缝熔深基本相同的情况下,复合热源焊接的焊接热输入、焊缝熔宽、焊接变形和高应力区域范围等均比GMAW小. 研究结果印证了激光+GMAW复合热源焊接工艺的优越性,并为焊接工艺参数的优化提供了基础理论数据.     

42CrMo模铸钢锭凝固场数值仿真与超声检测分析

采用大型商业软件ProCAST建立了钢锭凝固传热数值仿真,钢锭模在凝固过程中的温度场是空间和时间的变化量,属于三维不稳定态传热.为了验证钢锭凝固过程温度场变化对钢锭冶金缺陷的影响,本文采用24寸42CrMo钢种钢锭模进行数值仿真.采取钢锭浇注过热度、断面温度梯度、液相线和固相线的分析,模拟了钢锭凝固过程中温度场、凝固分...     

一种激光热传导钎焊的热源模型

根据熔池具有较小深宽比的特征,发展了一种适合于铍板激光热传导钎焊的热源模型.分别建立了由表面高斯热源和内部旋转体积热源,按不同比例构成的复合热源、指数旋转抛物线体热源和线性旋转抛物线体热源三种模型.利用这三种模型计算了同一焊接条件下起焊点前2 mm处一点的焊接热循环曲线和熔池横断面轮廓,并进行了试验验证.目前的研究中用...     

42CrMo模铸钢锭凝固场数值仿真与超声检测分析

采用大型商业软件ProCAST建立了钢锭凝固传热数值仿真，钢锭模在凝固过程中的温度场是空间和时间的变化量，属于三维不稳定态传热。为了验证钢锭凝固过程温度场变化对钢锭冶金缺陷的影响，本文采用24寸42CrMo钢种钢锭模进行数值仿真。采取钢锭浇注过热度、断面温度梯度、液相线和固相线的分析，模拟了钢锭凝固过程中温度场、凝固分数、缩松率及Niyama的分布。通过仿真与实际操作工艺相结合，以及钢锭的超声检测和解剖验证的低倍检验，证明了仿真技术和超声检测可以提高钢锭的冶金质量。