预热温度对激光熔凝RuT300气门座残余应力场的影响研究

目的 为了突破激光熔凝蠕墨铸铁RuT300气门座裂纹抑制技术的瓶颈,研究了预热温度对激光熔凝RuT300气门座残余应力场的影响,从而为工程上抑制裂纹的参数优选提供支撑。方法 基于热弹塑性理论,建立了激光熔凝RuT300气门座残余应力场分析的数学物理模型,模型中考虑了预热温度、激光熔凝参数、材料性能参数的变化对残余应力的影响。结果 预热温度对激光熔凝RuT300气门座残余应力场的影响与熔池冷却速度、峰值温度等密切相关：当预热温度在25~150 ℃时,随着预热温度的升高,冷却速度下降对激光熔凝RuT300气门座热膨胀变形引起的应力降低起主要作用,导致气门座环向残余应力值随预热温度的升高而减小;当预热温度在150~250 ℃时,随着预热温度的升高,峰值温度上升诱发的热膨胀变形加剧所引起的应力增加起主要作用,导致气门座环向残余应力值随预热温度的升高而增大。结论 预热温度的变化影响气门座的冷却速度和峰值温度,而残余应力值的变化是气门座冷却速度和峰值温度等综合影响的结果,通过合理的调控预热温度,可以使激光熔凝RuT300气门座的残余应力值降低到最低,从而减小气门座激光熔凝形成裂纹的倾向。     

不同试样厚度对激光熔凝强化RuT300温度场影响规律的研究

建立了不同试样厚度条件下激光熔凝强化RuT300温度场的仿真模型,分析了试样厚度对温度分布、冷却速率和温度梯度的影响。结果表明:不同厚度的试样在距离上表面相同深度处的最高温度不同,伴随着试样厚度的增加,在试样同一深度处的最高温度减小,厚度参数对试样下部温度场的影响更大;不同厚度的试样在距离上表面相同深度处的冷却速率不同,伴随着试样厚度的增加,在试样同一深度处的冷却速率增大;试样温度梯度的分布自上至下是一个逐渐降低的过程;不同厚度的试样,在距离上表面相同位置处的温度梯度值不同,且试样厚度参数的变化对试样下部的温度梯度影响更大。     

基于光束变换的激光相变硬化气门座温度场数值模拟

建立了基于激光光束变换的气门座激光相变硬化温度场数值模拟模型,分析了激光功率、激光加热面积以及激光加热时间对激光相变硬化气门座温度场的影响。结果表明:随着激光功率的增加,气门座峰值温度升高,在激光加载结束时刻,加载区域两侧温度梯度增大。随着激光加热面积的增加,加载区域峰值温度降低,激光加载结束时两侧区域温度升高、温度梯度减小。随着激光加热时间的增加,气门座峰值温度升高,激光加载结束时加载区域两侧温度梯度小幅度增加。     

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...     

激光熔凝强化RuT300收尾凹坑缺陷抑制方法研究

目的 突破气门座激光熔凝收尾凹坑缺陷技术瓶颈。方法 建立激光熔凝强化RuT300的三维瞬态温度场仿真模型,模型中考虑激光吸收率、材料相变潜热及热物性参数的影响,并结合Niyama判据,分析激光熔凝强化RuT300收尾过程激光参数线性变化对收尾凹坑缺陷的影响规律。结果 在激光熔凝收尾过程中,对比未采用激光参数线性变化的收尾方式,采用激光功率线性下降（斜率为–400）的参数变化方式时, 的最大值由最初的0.0085增大至0.0097;当斜率由–100减小至–400时, 的最大值由最初的0.0087增大至0.0097;采用激光扫描速度线性上升（斜率为20）的参数变化方式时, 的最大值由最初的0.0087增大至0.0142;当斜率由5增加至20时, 的最大值由最初的0.0112增大至0.0142。伴随着激光功率线性下降或激光扫描速度线性上升,激光熔凝气门座收尾凹坑有缩减趋势,且伴随着激光功率线性下降过程斜率绝对值或激光扫描速度线性上升过程斜率的增大,收尾凹坑有进一步缩减趋势。实验分析与数值模拟结果基本吻合,说明了模型的有效性。结论 在激光熔凝收尾过程中,采用激光功率线性下降或者激光扫描速度线性上升方法可以抑制收尾的凹坑缺陷,提升气门座的可靠性。     

激光熔凝稀土镁合金温度场的数值模拟及其耐蚀性能

利用Ansys有限元软件进行数值模拟并利用光纤激光器进行试验验证。分别采用蔡司显微镜、电化学工作站研究熔凝表面的微观组织和腐蚀行为。结果表明:激光熔凝温度场呈骤热快冷、动态变化的特点,其表面的温度梯度最大,由表及里,温度梯度依次减小。实际测量与数值模拟的熔池深度和熔池宽度的误差均不超过15%,表明温度场数值模型与实际模型相符合。激光熔凝后,稀土镁合金材料表层晶粒细化,其自腐蚀电流密度较母材降低了一个数量级,表明激光熔凝可有效改善稀土镁合金材料表面的耐蚀性。     

激光熔凝强化RuT300收尾参数变化对熔池影响规律的研究

利用ANSYS有限元仿真模拟软件,建立了激光熔凝强化RuT300三维数学物理仿真模型。模型中考虑了材料的相变潜热、热物性参数及激光吸收率的影响,分析了激光熔凝收尾过程中激光功率线性下降及下降速率、激光扫描速度线性上升及上升斜率对熔池形状的影响规律。结果表明:随着激光功率的线性下降或激光扫描速度的线性上升,熔池的面积、深度及宽度均降低;伴随激光功率线性下降斜率绝对值的增大或激光扫描速度线性上升斜率的增大,熔池的面积、深度及宽度均降低。     

HT200铸铁等离子弧熔凝温度场数值模拟

采用等离子弧对HT200铸铁进行了熔凝处理,利用光学显微镜、显微硬度仪对熔凝试样各区域进行测试分析,在综合考虑材料非线性、熔化潜热、热源模型对等离子弧熔凝温度场影响的基础上,采用ANSYS软件建立了HT200铸铁等离子弧熔凝连续移动三维瞬态温度场有限元模型.结果表明,熔凝层显微硬度达到750～850 HV 0.1,熔凝层组织为马氏体+渗碳体+残留奥氏体;模拟熔池最高温度达到2366℃,熔凝区模拟的形状及尺寸与实际基本吻合.     

激光焊接温度场数值模拟

深入分析了激光焊接小孔传热模型的特点，在此基础上选取合适的热源形式，研究了移动线热源和高斯分布热源作用下，准稳态与瞬态激光焊接温度场。利用MAT—LAB软件及ANSYS有限元分析程序对激光焊接温度场地分别进行了计算及模拟，并且将两种分析结果进行了比较。最后还将有限元的模拟值与实测值进行了对比分析，进一步验证了小孔模型与高斯热源在激光焊接温度场模拟中的适用性。     

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.     

激光熔凝过程的SPH法数值模拟

运用光滑粒子流体动力学(smoothed particles hydrodynamics,SPH)法建立了激光熔凝过程的数值模型。并应用该模型对AISI304不锈钢的激光熔凝过程进行数值模拟,分析在不同激光功率和扫描速度下对熔池速度场、温度场及其宽度和深度的影响。结果表明:熔池的最高温度相对激光光斑中心偏移一定的距离,且偏移距离随扫描速度的增加而增大,但随激光功率的增加则保持不变。同时也为研究激光熔覆的自由表面形貌的形成过程提供SPH理论基础和数值分析方法。     

激光相变硬化蠕墨铸铁气门座应力场数值模拟研究

采用有限元软件ANSYS建立了气门座激光相变硬化的应力场数值模拟三维有限元模型,分析了激光扫描速度对气门座瞬态应力场与残余应力场的影响。结果表明:气门座激光扫描区域的周向应力大于径向应力,更易产生径向裂纹;随着激光扫描速度的增加,气门座周向与径向的瞬态压应力与残余拉应力均减小。在气门座激光相变硬化过程中,提高激光扫描速度可以更好地控制径向裂纹的形成。     

激光熔凝镁合金熔池非对称分布数值模拟研究

建立了激光熔凝镁合金有限元模型,模型中考虑了镁合金热物性参数的非线性、相变潜热和熔化潜热,分析了激光熔凝镁合金温度和熔池形态的变化规律。结果表明:由于激光熔凝过程前面对后面的预热作用等,激光熔凝镁合金的等温线呈非对称性分布,且伴随激光熔凝过程的进行,熔池的纵截面形貌由月牙形变化到半泪滴形;由于镁合金试样长度、宽度方向总的传热热阻的差异,激光熔凝镁合金正面形貌为椭圆形;因为熔池前端和熔池后端接触试样的温度差异,熔池前段比熔池后端等温线密集;由于熔池边缘通过热扩散消耗的能量大等的影响,当激光的功率不能保证辐照区域都熔化的条件下,伴随激光光斑半径的增加,激光熔凝镁合金的正面熔池面积减小。     

激光焊接不锈钢的温度场数值模拟

本文采用有限元方法,建立了激光焊接不锈钢的三维瞬态温度场的计算模型,考虑了材料的热物理性能、相变潜热与温度的非线性关系以及表面对流换热和辐射散热等影响因素,使用SYSWELD软件对激光焊接过程中的温度场进行了分析。结果表明：在激光焊接的开始阶段和结束阶段温度快速上升,中间阶段温度变化较缓慢;沿激光束扫描方向和与扫描方向垂直的方向都存在较大的温度梯度,温度梯度的存在引发较大的热应力,而热应力的存在是焊接过程中易产生裂纹的主要原因。     

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．     

激光诱导焊接温度场的数值模拟

提出了激光诱导的概念,建立了激光诱导物理及热源模型,推导了激光诱导移动点热源加热薄板的准稳定状态方程.利用MARC软件对304不锈钢激光诱导焊接温度场进行了有限元分析.选取建立的激光诱导热源模型,进行二次开发编写子程序,实现激光诱导移动点热源的加载.利用高温热电偶实测激光诱导焊接的温度场热循环曲线,将模拟值与实测值进行对比分析,结果表明,模拟值与实测值吻合良好.     

激光熔凝的数值模拟及其在激光定向凝固中的应用

建立了一套激光熔凝的数学模型和计算方法 ,给出了两种条件下熔池深度与扫描速度的关系曲线。计算结果与实验值吻合良好 ,验证了模型的有效性。根据计算分析了激光工艺参数与激光定向凝固组织的关系。据此通过工艺参数的匹配 ,在熔池顶部得到了与扫描方向完全一致的凝固组织     

镁合金脉冲激光焊接温度场的数值模拟

本文采用有限元分析软件Ansys对1．2mm厚度的AZ31镁合金脉冲激光焊接过程进行模拟,通过分别改变激光的脉冲、频率及焊接速度,比较了参数变化对熔池截面形状的影响,确认了该厚度AZ31镁合金板的理想规范参数。研究结果表明：接头熔深随激光脉冲宽度和频率的降低而减小,随焊接速度的减小而增大。激光参数变化对熔池宽度的影响不大。     

镁合金脉冲激光焊接温度场的数值模拟

采用有限元分析软件Ansys对1.2 mm厚度的AZ31镁合金脉冲激光焊接过程进行模拟,通过分别改变激光的脉冲、频率及焊接速度,比较了参数变化对熔池截面形状的影响,确认了该厚度AZ31镁合金板的理想规范参数.研究结果表明:接头熔深随激光脉冲宽度和频率的降低而减小,随焊接速度的减小而增大.激光参数变化对熔池宽度的影响不大.