42CrMo钢表面激光宽带熔凝有限元模拟

建立了适用于激光熔凝过程的激光宽带热源模型。并应用SYSWELD软件的校正工具,根据具体的激光熔凝工艺和条件对热源进行校正,建立激光熔凝过程的数学物理模型,考虑材料热物理性能参数与温度的非线性关系以及边界初始条件,分析了激光熔凝的温度场。42CrMo板材表面激光熔凝试验表明,宽带热源模型得到的热源形状及“平底锅”状熔凝区截面形貌与实际相符,熔凝区截面尺寸和试验测量值一致,验证了模型的准确性和适用性。使用宽带热源模型可以计算得到符合实际的光斑和熔凝区截面,获得更合理的温度场分布。     

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.     

激光焊接热循环的试验分析

在标定测试的基础上,利用最小二乘法拟合得到了热电偶的热电特性方程.通过设计焊接绝缘夹具及补偿温度测量值的动态误差,试验得到焊缝热影响区的实际热循环曲线.将高温等离子体简化为点热源,薄板焊接时的热源简化为线热源,采用叠加原理建立激光焊接高强度钢板的热循环数学模型后,对模型进行解析计算,获得了热影响区的理论热循环曲线.通过实测热循环曲线与理论曲线的对比、实际焊缝宽度与理论焊缝宽度的验证后认为,点线热源模型能反映激光焊接高强度钢板的热循环过程,为激光焊接的深入研究奠定了基础.     

基于阶梯模型的摆动焊接温度场数值模拟

根据摆动焊接速度和方向的变化规律,建立了电弧摆动焊接适用范围更加广泛的阶梯模型,以Q345平板对接接头为研究对象,利用焊接模拟软件SYSWELD对摆动焊接过程的温度场进行数值模拟,获得了焊缝区瞬态温度场以及各节点的焊接热循环曲线.结果表明,电弧摆动阶梯模型的瞬态温度场形状与带状热源模型不同,当热源由中间向两边摆动时,阶梯模型的熔池呈头小尾大的椭圆形;电弧摆动阶梯模型的焊接热循环曲线也与带状热源模型不同,阶梯模型的焊接热循环曲线在加热和冷却过程中都会出现一个小波峰,表明焊缝在加热和冷却过程受到电弧摆动的影响.     

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.     

API X65管道深水铺设GMAW横向焊接温度场

为了应对管道深水铺设GMAW横向焊接熔池下坠、窄坡口、无衬垫等挑战,建立了管道三维模型并进行了网格划分,利用材料软件生成了API X65温度场材料数据库,通过模拟温度场云图与实际焊缝截面的匹配校核了Goldak双椭球热源模型,管道焊接温度场分布SYSWELD软件模拟结果与实际焊接过程相符合. 建立了焊接温度场测试系统,通过背孔法埋设的热电偶测量了API X65管线钢平板焊接的热循环曲线. 测试曲线与SYSWELD仿真曲线具有相同的温度升降趋势,上板节点温度也均明显低于下板节点温度. 采用焊缝截面平均热循环曲线作为热源进行了多道焊模拟,并进行了试验. 结果表明,多道焊焊接变形是由焊接工艺参数与残余应力释放共同确定的.     

移去热源前后中高碳钢堆焊温度场和应力场的数值模拟

以中高碳钢60CrMnMo为研究对象,测量了堆焊后的残余应力场.采用有限元分析对热源移去前后堆焊温度场和应力场进行了数值模拟.残余应力场实测结果与模拟结果基本吻合,证明了模型的有效性.温度场模拟获得了不同时刻整个试样的温度分布及试样上各典型截面的温度变化曲线.堆焊16 s后移去热源前后温度场分布有很大差异,堆焊结束后,热量迅速向下表面及周界方向传播.直至180s,试样温度场显现平衡态,传热基本停止,此时温度峰值位于靠近下表面心部,内外温差不大.利用温度场模拟结果模拟了堆焊热源移去前后几个关键时刻的瞬态过程应力.结果表明,应力峰值出现于热影响区与母材区交界面,跃变点前后变化十分显着.     

RuT300气门座激光熔凝温度场数值模拟

建立了激光熔凝气门座的数学物理模型,模型中考虑了材料的热物性参数随温度的变化及材料的相变潜热。结果表明:随激光功率的增加,激光熔凝气门座熔池最高温度升高,且激光熔凝区的深度和宽度增加;随激光扫描速度的提高,激光熔凝气门座的最高温度下降,且熔凝区的深度和宽度减小;随激光光斑半径的增加,激光熔凝气门座的最高温度降低,激光熔凝区深度减小。激光熔凝气门座过程是新熔池形成和已形成的熔池凝固二者同步的过程,由于不同区域温度分布和冷却速度等差异,导致气门座表面熔池形态为彗星拖尾状;且彗星拖尾状随激光功率的增大而增加,彗星拖尾状随扫描速度和激光半径的增加而降低。随激光半径的增加,熔池彗星拖尾的尖形曲率减小。实验与数值模拟结果基本吻合,这说明了模型的有效性。     

搭接参数对激光熔凝处理层显微组织和性能的影响

应用 3kW连续CO2 激光器对轧辊钢进行激光熔凝搭接处理 ,分析了搭接区的显微组织和硬度。结果表明 ,搭接区的组织分布特征和光斑中心基本一样 ,包括搭接熔凝区、搭接相变区和搭接热影响区 ,搭接区的显微硬度分布和光斑中心也相同 ,且当搭接参数合适时 ,可得到较均匀的表面硬化层。     

Fe-Cr-Ni-Mo系高强钢焊接热影响区特征热循环曲线的建立与组织

开展了一种Fe-Cr-Ni-Mo系高强钢熔化极活性气体保护焊(MAG)焊接试验,同时测试了该高强钢的热物理性能参数和线膨胀系数,基于SYSWELD软件建立了该高强钢MAG焊接有限元模型,模拟了其MAG焊接热过程。通过对比模拟与试验获得的焊缝截面形貌、尺寸和焊接热循环曲线,建立了合适的双椭球MAG焊接热源模型。结合焊接接头硬度分布规律,确定了Fe-Cr-Ni-Mo系高强钢MAG焊接热影响区(HAZ)3个微区(粗晶区、细晶区和不完全淬火区)的范围,抽取了各微区的特征焊接热循环曲线。采用Gleeble3800热模拟机制备了各微区试样,显微组织和硬度对比结果表明,热模拟和实际焊接获得的HAZ各微区的显微组织和硬度吻合较好,抽取的各微区特征焊接热循环曲线较可靠。     

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。     

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．     

Finite element simulation of magnesium alloys laser beam welding

In this paper, a three-dimensional finite element model is developed to simulate thermal history magnesium-based alloys during laser beam welding. Space–time temperature distributions in weldments are predicted from the beginning of welding to the final cooling. The finite element calculations were performed using Cast3M code with which the heat equation is solved considering a non-linear transient behaviour. The applied loading is a moving heat source that depends on process parameters such as power density, laser beam dimensions and welding speed, and it is associated to moving boundary conditions. Experiments were carried out to determine temperature evolution during welding and to measure the laser weld width. By comparing the thermal model answers with the measurements, it is found that numerical simulations results are in a good agreement with the experimental data.     

移动热源条件下熔池内流体流动和传热问题的数值研究

对有移动热源的表面重熔问题，在固定坐标系内，采有固定网格、焓－孔隙度法处理相变，并将移动热泊引起的能量，动量方程的变化作为附加源项构建控制方程组，使用控制窖积分法对其进行求解，数值模拟了激光扫措条件下熔池内传热，相变及流体流动的情况；利用所开发的软件对同一扫描速度，不同激光输入功率条件下不钢材料熔化与凝固过程中温度场、速度场进行了比较与分析。     

激光深熔温度场数值模拟热源模型分析

热源模型是激光深熔焊温度场数值模拟分析的关键。在分析连续和脉冲激光深熔焊焊缝形状特征的基础上，构建了组合热源模型，讨论了热源模型参数的确定方法。应用所建立的热源模型模拟分析了激光深熔焊焊缝边界形状，并与实验结果进行了比较。     

Research on dynamic micro-deformation under laser point source

The dynamic micro-deformation of the specimen under laser point source is measured using a laser beam reflex amplifier system and numerically simulated by Msc.Marc software. Compared with experimental result and calculated result, the final deformation direction of the specimen depends on the result of the thermal strain and the phase transformation strain cooperation, away from the laser beam or towards the laser beam, the final deformation angle depends on temperature gradient in the thickness direction and the geometry constraint of the specimen. The conclusion lays the foundation for further research on the mechanism of laser bending. At the same time, it is proposed that the model of calculation based on classical Fourier heat transfer theory cannot be enough to simulate the dynamic micro-deformation of the specimen under laser point source, the model of calculation should be modified in the future.     

能量排布方式对双光束激光填丝焊温度场与应力场的影响

建立了面热源＋双圆柱体热源的双光束激光焊接热源模型,并结合Marc有限元软件,对光束间距为0．6mm的双光束激光填丝焊接铝合金的温度场和应力场进行了数值模拟,分析了不同能量排布方式对焊缝熔池温度分布特征及其残余应力的影响．随着光束与焊缝中心线所成角度的减小,热源熔化效率逐渐减小;焊后焊缝区残余应力主要为纵向拉应力,能量排布方式对残余应力最大值的影响不明显,其主要影响残余应力分布区域范围和焊接工件角变形．     

钛合金表面激光重熔高温抗氧化涂层温度场仿真

利用ANSYS有限元软件,综合考虑了材料的物性参数、换热系数、相变潜热以及激光的热源模型,建立了TC4钛合金表面激光重熔NiCoCrAl-Y2O3涂层连续移动三维温度场有限元模型.在不同的激光工艺参数下,通过数值模拟,所得到的模拟结果和实验结果相吻合,表明所建立的计算模型是正确可靠的.并且所得到的数值模拟结果可为制备高性能的NiCoCrAl-Y2O3涂层优化工艺参数提供依据.     

Infrared-optical properties and heat transfer coefficients of semitransparent thermal barrier coatings

Thermal barrier coatings (TBC) which are used in aircraft and land-based gas turbines for thermal insulation of thermally highly loaded components are usually semitransparent in the infrared spectral region at higher temperatures. Thus, at turbine surface conditions the total heat transfer coefficient of TBCs increases above the heat transfer coefficient caused by solid heat conduction alone.The solid thermal conductivity of electron beam physical vapor deposited (EB-PVD) partially yttria stabilized zirconia (YSZ) coatings derived from laser flash measurements were correlated with the microstructure of the coatings, which was adjusted by defined heat treatments. To obtain the contribution of the radiative transfer on the total heat transfer coefficient, infrared-optical characterizations were carried out at ambient and elevated temperatures.A theoretical model was developed which can be used to describe the heat transfer through semitransparent, absorbing and scattering media. Finally, the total heat transfer, caused by solid thermal conduction, radiative transfer and an interaction of both is derived for the coatings prepared in this work. Additionally the measurement method BBC (black body boundary conditions) which is suitable to determine spectral transmittance and emittance at elevated temperatures is introduced.