激光深熔焊熔池三维瞬态行为数值模拟

考虑熔池蒸气反冲压力、表面张力、热浮力等力学因素和熔池内、外部的对流、辐射等热学过程,采用沿深度方向衰减的旋转高斯体热源简化熔池对激光的吸收,采用流体体积法追踪气/液界面,采用液相体积分数法和焓-孔隙度法分别处理熔化凝固潜热及液-固糊状区的动量损失,建立了激光深熔焊接熔池的三维瞬态模型。运用该数学模型获得了不锈钢激光深熔焊接过程中熔池及小孔温度场和流场的瞬态变化。计算表明,熔池最高温度呈现线性增长、趋于平稳和小幅振荡三个阶段;小孔在焊接过程中呈现前倾和后倾两种姿态,且存在周期性振荡行为。计算得到的熔池形状和焊缝横截面的试验结果基本吻合,小孔振荡行为也从相关文献的实验结果中得到了验证。     

脉冲Nd：YAG激光表面熔凝流场与热场的数值模拟

以合金相交多区域统一模型为基础，利用数值模拟方法，对脉冲Ｎｄ：ＹＡＧ激光表面熔凝过程的非稳态温度场和熔区内的流场进行了理论分析。能量方程求解中考虑了固液相变潜热的吸收与释放；合金元素气化热损失、自然对流与辐射热损失；动量方程求解中考虑了热表面张力与浮力联合驱动流。结合实验条件计算了１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ不锈钢在低频脉冲熔凝情况下熔区的形状和尺寸，并与实验解剖进行了比较。结果表明，在占空比较小时，系列脉冲中每一脉冲形成的表面熔区形状和尺寸可用定点轴对称脉冲模型很好地近似。     

激光深熔焊细长小孔数值模拟与试验研究

为了准确模拟焊接过程中小孔的瞬态形成过程,采用水平集法追踪小孔气/液界面,运用混合理论处理固/液相变,建立了气、液、固三相耦合模型。该模型综合考虑了表面张力、浮力、反冲压力、固/液间摩擦力、潜热、对流以及辐射等影响因素,数值计算得到小孔演变的动态过程和孔内外金属蒸汽行为。模拟发现,小孔形貌瞬态变化,前后壁凹凸变形,逐渐趋于稳定,孔径约为1mm;金属蒸汽与小孔相互影响,最大蒸汽速率为5.3m/s。采用改进的"三明治"方法进行激光焊接实验验证,实验结果与模拟结果相吻合。结果表明,水平集法追踪小孔自由界面在激光深熔焊模拟中具有良好的适用性。这为小孔的研究提供了理论依据。     

激光熔池三维非稳态对流传热过程的数值模拟

建立了带有移动热源的激光熔池流体流动及传热过程三维非稳态数学模型。采用自适应网格技术离散求解动量方程，计算出了不同时刻激光熔池温度分布和速度分布。结果表明，激光熔池对流传热非稳态过程是一个预热过程，随着时间的推移，熔池最高温度不断升高，熔深和熔池半径不断增大。非稳态过程按时间先后次序分为3个阶段，初始阶段（加热熔化阶段）、准稳态阶段和快速升温阶段。准稳态阶段熔池形貌、温度分布和速度分布增加幅度不大，且持续时间比另两个阶段长，说明三维准稳态模型是三维非稳态模型的较好近似。计算结果与巳有的实验结果相比大体吻合。     

GH4037镍基高温合金激光打孔相变过程数值模拟

为了更准确地研究激光打孔相变过程,基于流体传热和流体力学理论,建立了GH4037镍基高温合金激光打孔相变模型。模型中考虑了重力、粘滞力、反冲压力的作用,以及材料的固-液相变和液-气相变过程,通过数值计算得到了激光打孔相变过程的温度场和速度场。结果表明,气化材料的反冲压力可以加快熔池的流动,在激光功率为2000W、脉宽为1.70ms时,材料最大气化蒸发速率可以达到250m/s。该模型为进一步开展激光打孔研究提供了理论基础。     

脉冲激光毛化加工的计算机流体动力学数值模拟

激光毛化的温度场和熔化过程流动状态的变化,以及因辅助气体等导致的对流换热边界条件变化都会对材料表面成形质量和组织转变产生重要影响。于是建立了模拟激光毛化的三维瞬态模型,该模型考虑了热传导、对流传热及熔池表面的形貌变化等因素,采用焓法与流体体积(VOF)方法处理固液相变移动边界与自由表面的问题,利用Fluent软件和用户自定义函数(UDF)方法求解,处理了辅助气体的驱动作用及自由表面和相界面的演化,得出了脉冲激光毛化过程中各种加工参数下熔池的形状、大小以及熔池内的温度、速度分布。实际毛化加工结果与数值模拟结果基本一致。     

激光熔覆过程中熔池对流运动对熔覆层气孔和元素分布的影响

激光熔覆时熔池对流运动对熔覆层成分和气孔缺陷分布具有较大影响。通过在灰铸铁和45钢两种基体上进行激光熔覆NiCuFeBSi 系合金的工艺试验,对熔池的对流运动形式进行了机理分析与试验验证。结果表明,受熔池强对流运动影响,熔覆层气孔呈均匀弥散化分布趋势;且自熔覆层底部向顶部方向合金元素分布均匀,无缓慢过渡特征。根据YAG 激光光斑能量的高斯分布特征,获得了熔池对流运动的驱动力是熔池温度分布不均形成的熔池表面张力梯度。而且熔池表面张力梯度与激光能量密度,熔池温度,熔体对流运动速度是彼此密切相关的。熔池对流运动机理分析表明,热流密度越高,温度越高,表面张力梯度越大,熔体对流运动速度越大。     

金属材料激光相变硬化的三维数值模拟

给出了用有限差分法对金属材料激光相变硬化过程建立的三维数值模型。模型考虑了工件有限尺度、工件材料热物理性质的温度依赖关系、激光处理参数以及对流、辐射造成的表面热损失．根据模型可以得出工件表面和内部任意部位的三维温度分布像，可以预测激光处理的相变层深，并据此优化激光处理参数的选定．通过对一种锆合金的激光相变硬化实验，验证了所得结果与模型理论计算的一致．     

电磁搅拌辅助Ni45合金的激光增材制造

采用有限元和有限体积法,对交变磁场作用下激光增材制造Ni45合金过程进行了磁-热-流耦合数值分析。结合试验,探讨了外加磁场对凝固组织的演化规律和性能的影响。结果表明,外加磁场增强了由表面张力梯度和浮力耦合产生的强制性环流;随着磁场强度的增大,激光熔池的对流传热逐渐增强,这使得激光熔池的温度梯度逐渐减小,凝固速率逐渐增大;受此影响,合金成形体的凝固组织逐渐细化,硬度和摩擦磨损性能提高。     

激光熔池三维非稳态对流传热过程的数值模拟

建立了带有移动热源的激光熔池流体流动及传热过程三维非稳态数学模型.采用自适应网格技术离散求解动量方程,计算出了不同时刻激光熔池温度分布和速度分布.结果表明,激光熔池对流传热非稳态过程是一个预热过程,随着时间的推移,熔池最高温度不断升高,熔深和熔池半径不断增大.非稳态过程按时间先后次序分为3个阶段初始阶段(加热熔化阶段)、准稳态阶段和快速升温阶段.准稳态阶段熔池形貌、温度分布和速度分布增加幅度不大,且持续时间比另两个阶段长,说明三维准稳态模型是三维非稳态模型的较好近似.计算结果与已有的实验结果相比大体吻合.     

定向棱镜激光腔模式模拟研究

为了探究定向棱镜谐振腔激光模式分布情况,通过连续利用反射系统的光线矢量的反射定律,推导出具有二面角误差的角锥棱镜相位模型,首次创新性地建立了定向棱镜腔的光场数学模型,并运用FOX-LI的理论。研制了一套求解各种腔形的稳态模的场分布软件。用这套软件模拟出了定向棱镜谐振腔自再现模的分布。同时,针对免调试固体激光器（定向棱镜腔）进行实验,将模拟所得结果与实际激光器的输出近场、远场光斑,以及与光束质量分析仪检测分析结果进行了对比,取得了较好的效果。     

基于光束跟踪的热源模型在激光焊接中的应用

为了研究激光深溶焊接过程中匙孔内自由壁面的变化及相应的温度分布,采用光束跟踪法,推导出了符合激光深熔焊接物理过程的热源模型。在建立的气、液、固3相统一的控制方程中使用该热源模型,通过流体容积法追踪匙孔自由液面,得出了匙孔的动态变化过程及相应的温度分布。结果表明,采用光束跟踪法热源模型计算出的熔池轮廓与激光熔焊接实验相符合。     

基于移动高斯热源的激光抛光瞬态有限元三维数值模型

本研究模拟CO2连续激光器抛光Ti6Al4V材料的工艺过程,利用可移动的高斯热源模拟激光源,建立有限元三位数值瞬态模型进行模拟实验,来模拟TC4材料表面轮廓的融化与凝固过程,该数值模型耦合了温度场与速度场,研究由于表面张力温度系数而产生的表面张力对抛光熔池的影响,通过改变高斯光源的不同功率强度、扫描速度,来分析对抛光过...     

2195-T8铝锂合金激光填丝双面焊熔池行为与接头力学性能研究

铝锂合金以其质轻、高强、耐腐蚀等优势成为新一代航空航天应用材料,与其他铝锂合金相比,2195-T8铝锂合金焊接性能最优。基于液体火箭贮箱连接处的焊接需求,采用激光填丝双面焊接可以获得质量较好的接头。针对焊接过程中熔池内流体流动与温度的变化,建立了热-流耦合数学模型,通过数值模拟的方法对2195-T8铝锂合金焊接过程进行了研究,而后开展了接头轴向拉伸强度测试实验,阐明了焊接速度与填丝速度对熔池成形、流动与热输入的影响,并得到了不同焊接工艺参数下的最高接头强度。研究结果表明：4组不同焊接工艺参数下,第一面焊接与第二面焊接的熔池内流体流动趋势基本一致,主要为熔池左侧的顺时针涡流与右侧的逆时针涡流;提高焊接速度或填丝速度可以改善熔池成形质量,降低熔池热输入,细化焊缝熔合区中以柱状晶为代表的晶粒,进而有效提升接头力学性能;通过对4组不同焊接工艺参数的数值模拟与实验结果进行对比分析,最终得到熔池成形质量最好、热输入最小的焊缝,其接头轴向拉伸强度高达426.4 MPa,为母材强度的72.6%,对应的焊接速度与填丝速度分别为50 cm/min、1.8 m/min。     

激光加工中传热相变问题的焓解法

基于焓方法发展的二维轴对称数学模型 ,考虑了激光束能量的时间和空间分布以及材料的变热物性影响 ,模拟了激光加工中材料的传热和相变过程 ,并分别计算了高斯光束及平面圆形光束作用于纯铁时材料内部的气液及固液界面随时间的发展及非稳态温度场演化     

高功率横流CO2激光熔池形成过程检测研究

检测激光熔池信息,研究其分布情况,对于控制激光熔池形貌,改进工艺设计,提高激光加工质量,具有重要意义.研制了一套激光熔池动态检测系统,实时检测了高功率横流CO2激光熔池的形成过程,并给出了其温度场分布情况.实验结果表明,刚开始形成的激光熔池由几个分熔池组成,经过一段时间后,形成一个完整的熔池.可通过调整能量密度较高的分光斑覆盖整个加工轨迹截面,优化加工速度和激光功率等参数,提高激光加工质量均匀性.     

连续移动三维瞬态激光熔池温度场数值模拟

详细介绍了在ANSYS软件平台上,建立连续移动三维瞬态激光熔池温度场计算模型的方法,计算模型中考虑了材料表面温度对激光吸收率的影响及材料相变过程对激光熔池温度场的影响。系统分析了连续移动三维激光熔池温度场随时间的变化规律。通过该计算模型,可以掌握激光加工过程中连续移动激光熔池的加热和冷却规律。计算结果表明,当激光沿45#钢基板表面由一端向另一端沿直线扫描时,由于热传导的作用,激光熔池温度随时间增加而升高,同时连续移动熔池表面温度最高点不在激光束中心,而是稍稍偏后于激光束中心。在相同激光工艺参数下,计算熔池横截面尺寸与实验所测熔池横截面尺寸相吻合,表明所建立的连续移动熔池温度场计算模型是正确和可靠的。     

复合涂层激光熔池温度场及流场的数值模拟

建立了复合涂层激光熔池三维准稳态流场及温度场的数值模型,计算出熔池温度分布和速度分布及几何形状。分析了激光功率对熔池温度场、流场及形状的影响。计算结果表明,对于厚度为0.08mm的Ti-Al(30%)复合涂层系统,功率为750W时,复合涂层没有熔化,但Al基材产生熔化;功率为1400W时,在不同材料层内形成上下两个分离的熔池。复合涂层先熔化还是Al基材先熔化,依赖复合涂层厚度。激光重熔实验确认了分离熔池的存在,同时计算结果和实验结果基本吻合。