Cr12MoV激光熔覆温度场的模拟与验证

为了验证熔池温度场在激光熔覆过程中的变化,利用有限元软件ANSYS建立激光熔覆过程的三维模型,采用移动基模高斯热源对温度场分布进行了动态模拟。分析了激光功率和扫描速度对试样熔覆层宏观形貌、表面硬度及组织的影响。结果表明,熔池呈拖尾状,靠近熔池前方等温线密集,温度梯度大。模型的模拟结果准确、可靠。     

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。     

双线斑激光内送粉宽带熔覆温度场数值模拟与工艺研究

目的 研究双线斑激光内送粉宽带熔覆温度场分布特性及其工艺参数对熔覆层形貌和几何特征的影响,为双线斑激光内送粉宽带熔覆在工件表面的强化、修复、改性以及宽带成形的应用提供试验与数据参考。方法 基于半椭球体热源模型,利用ANSYS软件对单道宽带熔覆过程中的熔池温度场进行数值模拟,并结合工艺试验分析离焦量、送粉速度、激光功率、扫描速度对熔覆层形貌和几何特征的影响。结果 利用半椭球体热源模型进行的数值模拟能够较为合理地反映出双线斑激光内送粉宽带熔覆过程的温度场分布,在离焦量为0 mm和负离焦量下,熔覆单道的温度分布云图均呈“带式彗星”状,熔覆层横截面上的高温区域呈现“平底形”分布,纵切面上的高温区域呈“V”形和不对称的“W”形,且两者随着深度的增加,均逐渐过渡到半椭圆形;离焦量、送粉速度、激光功率和扫描速度对熔覆层的宽度、厚度、稀释率及表面平整度都有很大的影响。结论 “带式彗星”状的熔覆单道温度分布,使得熔池前方温度梯度较大,后方温度梯度较小。横切面上“平底形”温度分布可以强化熔覆层与基体在宽度方向上的结合程度。在304不锈钢基板上熔覆KF-355金属粉末,选取离焦量为0 mm、送粉速度为45 ...     

40Cr钢平板表面激光堆焊三维温度场数值模拟

基于ANSYS数值模拟平台,建立了三维瞬态激光堆焊40Cr钢温度场有限元模型,利用APDL参数设计语言实现热源的移动,对40Cr钢表面激光相变硬化处理过程的温度场进行模拟,得出熔池温度随时间的变化规律,并对比了不同功率和不同扫描速度对温度场的影响。结果表明:随热源的移动,温度场呈现彗星状云图,且激光光斑前缘温度梯度大,后部温度梯度小;不同功率对比结果表明,在相同的激光扫描速度6 mm/s时,表面温度最大值随激光功率增大而升高,在900 W时达到4238℃;不同速度对比结果表明,在相同功率800 W时,表面温度最大值随激光速度增大而减小,在6 mm/s时达到3738℃。     

AlSi10Mg粉末激光选区熔化温度场的数值模拟

使用有限元软件Ansys模拟Al Si10Mg激光选区熔化过程的温度场。考虑材料的热物性参数及激光能量吸收率随温度变化的特性,将激光热源视为三维高斯体热源,实现在粉床上的移动加载,实时进行材料由粉末态转化为实体态的单元属性转变,研究激光功率、扫描速度及扫描间距对粉床热行为的影响。结果表明:熔池最高温度、熔池尺寸及冷却速度随激光功率的增大逐渐增大;熔池最高温度与熔池尺寸随扫描速度的增大逐渐减小,熔池冷却速度随扫描速度的增大逐渐增大;扫描间距对熔池的最高温度、冷却速度及熔池尺寸影响不大,但扫描间距过大容易形成孔洞缺陷。     

TC4表面激光熔覆Ni60基涂层温度场热循环特性数值模拟研究

目的确定TC4钛合金激光熔覆的最优工艺参数,研究其热循环特性,分析激光熔覆温度对组织的影响规律。方法采用3D高斯热源,基于Sysweld软件平台,对TC4钛合金激光熔覆Ni60A-50%Cr3C2粉末过程进行数值模拟仿真,研究温度场云图及其热循环特性,模拟计算激光熔覆最高温度、加热速度和冷却速度,以及熔池最大深度和热影响区宽度,进行激光熔覆实验验证,结合熔覆层显微组织扫描电镜(SEM)图像,研究冷却速度对熔覆层组织的影响。结果由仿真可知,激光熔覆工艺参数中的光斑直径和送粉速度主要影响熔覆层的高度和宽度,对温度场分布起主要影响作用的是激光功率和扫描速度。激光功率为500 W,扫描速度为4 mm/s时,熔覆层区域熔化完全,与基体结合良好。激光熔覆最高温度为2700℃,最大加热速度约为2200℃/s,最大冷却速度约为1200℃/s,熔池最大深度在0.33~0.66 mm之间,热影响区宽度约为1.2 mm。模拟与实验得到的熔覆层截面形貌基本一致。不同冷却速度得到的熔覆层组织不同,随着冷却速度的降低,显微组织由短小的胞晶和树枝晶逐步转变为柱状晶、胞状晶和平面晶,最终形成淬火态的针状马氏体。结论最佳工艺参数为:激光功率500 W,扫描速度4 mm/s。冷却速度是影响熔覆层组织的重要因素,仿真模型的正确性及方法的可行性得到了实验验证。     

钛合金TC4激光熔覆成形的数值模拟研究

对钛合金TC4激光熔覆过程进行数值模拟。分析了不同激光功率、焊接速度下,激光熔覆过程中的温度场及应力场。结果表明:在本模拟研究中,当扫描速度为4 mm/s时,激光光斑半径为1.5 mm,激光功率为300 W时,熔池深度为0.6 mm,宽度为2.4 mm,成形效果好;当激光功率升至500 W,扫描速度为5 mm/s,激光光斑半径为1.5 mm时,成形效果也好。综合考虑成形质量和时间成本,后者为最优工艺参数。成形件的中心部位应力较为集中,出现缺陷的可能性较大。     

激光熔覆多层涂层温度场的数值模拟

基于ANSYS生死单元技术,建立了多层激光熔覆三维有限元分析模型,获得多层激光熔覆温度场的分布规律,同时分析预热温度对激光熔覆热循环的影响.试验结果表明,平行于热源移动方向的节点加热速度较快,降温速度缓慢;垂直于热源移动方向的节点,距离熔覆层中心越近,加热速度和冷却速度越大.y方向的结合处节点的温度梯度大于x方向的结合处节点的温度梯度;热输入保持不变时,随着预热温度的升高,加热速度变化较小,峰值温度升高,相变温度以上停留时间变长,但高温停留时间变化不大.预热温度为200?℃时,t8/5约为未预热下的3.2倍,预热可以减小熔覆层开裂倾向,有效降低涂层应力.     

选区激光熔化IN738LC合金成形温度场的数值模拟及实验研究

通过数值模拟根据熔池热行为变化规律对选区激光熔化工艺参数进行优化,是提高成形件质量的有效手段。为此,本论文采用ANSYS的APDL语言建立了全参数化的IN738LC合金选区激光熔化过程温度场有限元分析模型,并通过单熔道成形实验对热源模型进行校核。结果表明：随着激光功率的增加或者扫描速度的减小,粉末吸收的线性能量密度不断增加,熔池中心最高温度升高,熔融金属量增加,熔道形态由不规则断续状向规则连续长条状演化;随着扫描速度的增加或者激光功率的减小,粉末吸收的线性能量密度不断下降,熔体流动能力减弱,熔池宽度与熔化穿透深度也随之减小;有限元模拟与实验结果吻合较好,当激光功率为270 W,扫描速度为1150 mm/s时,单熔道具有连续少缺陷、规则良好的成形形貌。     

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。     

TC11合金多道激光熔覆温度场及涂层性能研究

为增强钛合金耐磨性,利用多道搭接激光熔覆工艺在TC11表面制备CBN涂层。基于ANSYS软件平台,对熔覆温度场进行分析。对涂层的平整度与耐磨性进行研究。结果表明:温度场的形状类似于单道熔覆时的形状,呈扁圆形。此时温度场的分布不以光斑中心对称,温度场偏向一侧。由于有预热作用,熔覆升温要比降温快,且熔覆后一道次熔覆层上的最高温度要高于前一道次。随激光功率、送粉率和搭接率的增大,表面变得不平整。随扫描速度的增大,涂层面积变小,但表面平整度较好。熔覆层试样的磨损失重远远小于基体。随载荷的增加,熔覆层磨损量变化不大,而基体磨损量增加。     

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.     

铝/钢TIG熔钎焊温度场和流场数值模拟

采用计算流体动力学(CFD)商业软件FLUENT,建立了铝/钢TIG熔钎焊搭接数学模型,并对温度场和流场进行了数值模拟。结果表明,焊接温度场呈非对称分布,钢侧温度梯度大于铝侧温度梯度。熔池中心的最高温度为1 218 K。在钢板上表面,钢与铝之间的换热要强于钢与空气之间的换热,致使搭接区域温度较高、温度梯度小,非搭接区温度较低、温度梯度大。熔池内流体最大流速为0.449 m/s,流体流动较为剧烈,所形成的涡流会导致熔池内低沸点金属蒸发,在焊缝中形成气孔。     

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.     

40Cr合金表面等离子熔覆温度场的数值模拟

在40Cr合金钢表面等离子熔覆Ni-Cr合金涂层,应用Ansys进行等离子熔覆温度场的数值模拟.模拟结果表明:模拟所得熔池尺寸与与实测的数据较为接近,表明所建模型具有一定的适用性.随着远离熔池的距离增加,熔池前方温度下降较为剧烈,熔池后方的则较为缓慢,在相等的距离上温度变化的幅度从中心向下部以及从中心向外侧均逐渐变缓.熔覆时温度梯度可高达到5.9×106℃/s,温度场呈现准稳态分布,各节点在滞后一定时间之后均达到最高温度.     

65Mn钢板激光扫描温度场及应变场的数值模拟

利用ANSYS软件,建立了三维瞬态激光扫描过程的温度场有限元模型,利用APDL语言实现热源的移动,对65Mn板激光扫描过程进行数值模拟,研究不同工艺参数对钢板扫描后温度场的变化规律,并对比了不同功率和不同扫描速度对温度场和变形量的影响。结果表明：随着热源的移动,温度场呈现狭长椭圆形分布,且激光光斑前缘温度梯度大,后部温度梯度小;在相同激光功率700 W下,扫描越慢,65Mn钢板表面温度最大值越大,扫描速度为6 mm/s时,表面温度最高值为495.434 K;在相同扫描速度6 mm/s下,扫描功率越大,65Mn钢板表面温度最大值越大,当扫描功率为1100 W时,该最大值为611.024 K。为验证模拟计算结果,对65Mn钢板进行实际激光扫描试验,试验值与模拟值吻合良好。     

同步送粉激光多道熔覆温度场及基体预热温度影响

采用ANSYS软件"生死单元"技术,建立了同步送粉激光多道熔覆温度场数值模拟模型,并对45钢表面熔覆Ni60合金粉末进行了仿真,获得了熔覆过程的温度场,分析了基体预热对其的影响。结果表明:基体各点在熔覆过程中以固定的温度伴随着热源同步前移,形成准稳态温度场;其他工艺参数不变时,熔池温度场最高温度随基体预热温度的升高而非线性递增。     

送粉式激光熔覆温度场有限元分析

采用有限元方法建立了送粉式激光熔覆过程温度场分析的数学模型，模拟了熔覆过程温度场的分布情况，模拟结果与试验结果基本吻合，表明可以采用此计算方法提供的初始温度值和非接触测量温度变化量来控制激光熔覆工艺参数。模拟结果发现，激光熔覆过程表现为急热急冷的特征；温度梯度较大，最大温度梯度出现在熔池附近和熔覆层与基体交界的边界处。     

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。