选择性激光烧结聚苯乙烯粉末成形温度场的数值模拟研究

本文以聚苯乙烯材料为例，对SLS成形三维瞬态温度场的分布变化进行数值模拟计算。计算模型中，考虑了材料的热物性参数随温度变化的情况和激光光强分布不均匀的因素。计算结果表明：烧结过程可以分为两个阶段：第一阶段是光照期的热量输入加热阶段，在该阶段内，光照表面的温度迅速升高，使材料处于过热状态，甚至超过材料的分解点，这一阶段完成粉末表面的致密化，但粉床内部的致密效果不是特别明显；第二阶段是光照结束之后的热量传输阶段，在该阶段内，表面材料吸收的热量向四周扩散，一部分通过对流和辐射换热方式散失到周围环境中，另一部分通过热传导的方式向粉床内部传输，促进粉床内部的烧结，这一阶段粉床内部的致密程度显著提高。     

选区激光熔化成形VNbMoTaW难熔高熵合金工艺研究

采用选区激光熔化技术制备了VNbMoTaW难熔高熵合金,研究了激光工艺参数对VNbMoTaW难熔高熵合金试样的表面成形质量、微观组织和力学性能的影响。结果表明,当采用较高的功率和较低的扫描速度时,可有效改善VNbMoTaW试样表面质量,其中孔隙和裂纹是选区激光熔化技术制备VNbMoTaW难熔高熵合金的主要缺陷。VNbMoTaW难熔高熵合金组织主要由柱状晶和胞状晶组成,底部和中心大多为柱状晶,而熔池的两侧及顶部主要为胞状晶。VNbMoTaW的最高极限抗压强度可达2154 MPa,相比电弧熔炼方式制备的合金强度提高了69.6%。     

选区激光熔化快速成型过程温度场数值模拟

为了优化铜磷合金粉末选区激光熔化快速成型的工艺参数,采用有限元分析软件ANSYS对其温度场进行了模拟,经理论分析和实验验证,获得了其温度场分布的数据.对材料未知温度范围内的热特性参数用插值法近似获得,采用不等网格剖分方式,用热焓去处理相变潜热问题.结果表明,其温度场的等温线分布为椭圆形,用模拟遴选的工艺参数(在铺粉厚度为0.22mm时,选用激光功率为100W、扫描速度为0.25m/s和激光束半径为0.1mm)能实现选区激光熔化快速成型.这一结果对其它粉末材料的选区激光熔化快速成型也是有帮助的.     

激光弯曲成形温度场的有限元数值模拟

激光成形技术是以激光为热源加热金属板料,依靠内应力使板料弯曲成形。研究激光成形过程中弯曲角与各影响参数之间的关系,了解板料内部温度场的分布规律是尤为重要的。本文应用有限元方法对不同热源形式、激光参数、板料尺寸及冷却条件下的三维瞬态温度场进行了数值模拟,分析了各因素对激光成形温度场的影响特性,为进一步的应力应变分析打下基础。     

激光金属沉积成形过程中温度场的数值模拟

为了降低成形过程的热应力,根据有限元方法中的“单元生死”技术,利用APDL语言编程实现了对多道多层激光金属沉积成形过程三维温度场的数值模拟,再现了成形过程中温度场的动态变化,得到了成形过程中模型温度场及温度梯度的分布规律。结果表明,试样同一纵断面上各节点虽然被激活的时间不一样,但它们具有相似的温度变化规律;试样内的温度梯度主要沿z轴方向分布,基板内的温度梯度主要沿平行基板方向分布,具有明显的分层现象,熔池区的温度梯度非常大。在相同的工艺参数下,实际成形试样的扫描电镜照片与模拟结果吻合很好。     

选区激光熔化成形温度场模拟与工艺优化

在金属粉末的选择性激光熔化成形过程中,需要解决球化、翘曲、变形等难题.对于一定的金属粉末,通过优化成形工艺参数可以克服以上难题.为此,利用ANSYS有限元法对成形过程的熔池及温度场模拟,建立有限元模型,分析得出成形过程熔池的深度和宽度,预测并优化成形过程的工艺参数.通过实验验证,应用有限元法优化后的成形工艺参数能够成形出复杂金属零件.     

激光烧结陶瓷温度场的数值模拟

根据热传导理论，推导出了激光烧结陶瓷过程中的热传导方程;并采用数值模拟的方法，编写了基于有限差分法的计算机程序。在此基础上，分别模拟计算了在各种不同的烧结工艺条件下，CO2激光辐照Al2O3陶瓷的温度场,结果表明,采用激光辐照的办法烧结陶瓷可以使陶瓷在短时间内达到很高的温度。此外，还计算了烧结过程中材料的温度随空间的变化曲线,结果表明,平行于激光辐照方向的温度梯度大小不随烧结时间变化而只与激光功率有关，激光功率越大温度梯度越大。研究还发现：垂直激光辐照方向的温度梯度的大小取决于激光束的功率密度分布和光斑大小。     

考虑熔池流动效应的选区激光熔化温度场模拟研究

利用有限单元法模拟选区激光熔化(selective laser melting, SLM)单道成形过程,建立热流耦合模型,考虑了固体金属材料性质随温度变化和相变过程,以及粉末间隙对材料性质的影响。利用焓-孔隙度方法模拟熔池凝固时的动量耗散,确定固-液相界面。根据能量守恒定律,在现有的圆柱体热源模型上,提出了旋转抛物体热源模型,并与传统高斯面热源模型选区激光熔化过程中温度分布和熔池尺寸的预测结果比较。结果表明,在试验激光能量密度研究范围内,旋转抛物体热源和高斯面热源模式下熔池宽度的平均预测误差分别为12.18%、7.07%。对于熔池宽度,高斯面热源的预测精度优于旋转抛物体热源。当激光能量密度为40～100 J/mm³时,旋转抛物体热源和高斯面热源模式下熔池深度的平均预测误差分别为17.00%和38.20%。对于熔池深度来讲,旋转抛物体热源预测精度优于高斯面热源。此外,研究发现考虑熔池流动效应作用下得到的熔池温度分布更加均匀。     

激光输能光电池温度场数值模拟

温升效应是影响激光输能光电转换效率的重要原因。为了分析温升效应对光电转换效率的影响,采用基于COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件和MATLAB软件联合仿真的数值模拟方法,建立了光电池的物理模型和热模型,得到了激光辐照时间、功率密度、光斑面积、入射角以及热辐射和热对流对温度场的影响结果。结果表明,2000W/m2激光功率密度辐照下,光电池温度随辐照时间先快速上升,20s后缓慢增加,100s达到热平衡态后温度稳定在343K;随着激光功率密度增大,电池温升速度越快,达到热平衡态时的温度值越高;激光光斑全部覆盖电池表面时,电池表面温度差值最小;入射角通过影响有效激光辐照功率密度来影响电池温升;热辐射和热对流对降低光电池温度十分有利;当激光入射角为0°、激光功率密度辐照约为2000W/m2、激光光斑面积近似为电池表面面积时,光电池能获得最佳的光电转换效率。可见对光电池温度场进行仿真分析为研究提高激光输能光电转换效率的方法提供了理论参考。     

激光强化温度场的数值模拟与校验

采用MSC.Marc非线性有限元软件,对激光强化过程中的温度场进行数值模拟,分析了能量密度的变化对激光强化效果的影响。通过温度传感器测量激光强化时材料表面温度的变化来验证数值模拟的结果。模拟值与实测值基本吻合。结果表明,数值模拟结果可作为激光加工工艺参数选择的依据。     

激光制备AlxCoCrNiMo高熵合金涂层的研究

激光制备高熵合金涂层对于拓展性能优异的高熵合金在表面改性中的应用具有重要意义.采用激光熔覆的方法,在45#钢基体上制备了成形良好的AlCoCrNiMo涂层,证实了激光制备AlCoCrNiMo高熵合金涂层的可行性,并研究了激光熔覆工艺参数和Al含量对AlCoCrNiMo高熵合金涂层的成形质量、微观组织结构、硬度的影响规律.结果表明,在无保护气体、涂覆厚度较薄、能量密度适宜时,可以得到成形质量良好的AlCoCrNiMo高熵合金涂层;涂层组织由共晶体和网状联接物组成,平均硬度在950～1250HV0.2之间,在800℃下仍能保持700HV5的硬度,随着工艺参数的不同,涂层的组织、硬度会有一定的差异;随着A1含量的增加,AlxCoCrNiMo涂层的相结构变得简单,网状联接物的耐腐蚀相减少,硬度降低,但涂层的硬度始终在950HV0.2以上.     

激光弯曲成形数值模拟的研究进展

激光弯曲成形相对于传统成形工艺的优势已逐渐被人们所认识,但目前应用该技术的最大障碍是如何将工艺参数与最终成形相联系。数值模拟技术为解决该问题提供了有效手段。概要介绍了最近几年来有关激光弯曲成形的数学物理模型最新进展。指出了未来应重点研究的几个方向。     

板料激光弯曲成形的温度场三维数值研究

板料激光弯曲成形是一种利用激光成形构件的柔性成形技术,以平板激光单次扫描成形的过程为研究对象,应用有限元分析软件ANSYS进行二次开发,对温度梯度机理下弯曲成形过程的温度场进行了系统的研究。建立了温度场的有限元分析模型,研究了给定技术参数下激光弯曲温度场的动态变化过程和温度场的分布,以及各技术参数对峰值温度和温度梯度的影响规律。     

激光填丝钎焊温度场数值模拟仿真研究

为提高车身顶板和侧板之间激光填丝钎焊的质量,研究钎焊热传导规律,建立了镀锌钢板卷边对接模型、CuSi3为钎料进行数值模拟仿真分析,考虑材料热物理属性、相变潜热以及热对流等问题的前提下采用双椭球激光热源模型进行热分析.探究了激光填丝钎焊温度随时间的变化规律,不同区域对温度的敏感程度以及不同功率下焊接熔池的温度场分布,为激...     

激光熔覆过程温度场的数值模拟

为描述预置粉Nd:YAG激光熔覆过程中温度场的变化规律,建立了三维预置粉激光熔覆物理模型,通过自行编程,利用三维表格施加高斯激光热流密度载荷,实现载荷的空间分布与时间移动,在ANSYS软件中模拟计算了预置粉Nd:YAG激光熔覆过程温度场.模拟结果表明光斑中心处温度最高,为2.8×10 3℃,并以光斑为中心逐层降低,等温线近似椭圆形,椭圆中心位于光斑后方.光斑点的升温变化率、降温变化率、热梯度分别为7×10 3℃/s、5×10 3℃/s、2×10 6W/(m2·s).这些结果数据为激光熔覆工艺参数的优化提供了理论依据.     

选择性激光熔化成形过程的球化反应研究

球化反应是选择性激光熔化(SLM)加工过程中的常见缺陷,是导致成形零件表面粗糙度高、内部出现孔隙、倾斜脱层等现象的主要原因,严重影响零件的致密度及力学性能。对选择性激光熔化成形过程中球化反应的分类及其形成机理、金属球(球化)的形成过程、球化反应的影响因素、球化反应的危害及国内外对球化反应的研究现状进行了比较系统的综述。研究表明球化反应的分类不同其形成机理也不同,球化反应形成过程复杂,影响因素众多,对成形过程及成形件的危害较大。但是目前国内外关于球化反应的研究还不够系统、全面、深入。对工艺参数、金属粉末的物化特性对球化反应的影响等方面进行更加深入的研究,将有利于解决选择性激光熔化成形过程中的球化问题。     

氧 碘化学激光辐照纯铝的温度场数值模拟

氧碘化学激光(COIL)(波长1.315μm)辐照纯铝表面,激光束斑直径为6 mm,功率密度为10～20 kw/cm2,材料表面在激光能量作用下瞬间发生熔化.以傅里叶热传导模型为基础,利用ANSYS对化学激光与铝相互作用的过程进行模拟,得到了熔池的形貌特征及相关的温度时间关系曲线.对不同功率密度激光作用的模拟结果进行分析,并求解了纯铝熔化破坏的激光功率阈值.     

CuCrZr合金选区激光熔化成形工艺与力学性能研究

为获得结构致密的CuCrZr合金部件,通过响应曲面和方差分析相结合的方法,探究选区激光熔化主要成形工艺参数(激光功率、扫描速度、扫描间距和铺粉层厚)对合金化CuCrZr粉末成形致密度的影响规律,并对其显微组织、物相和力学性能展开分析。结果显示：激光功率是最主要的影响因素,增大激光功率可显著提高成形致密度;在铺粉层厚0.02 mm,激光功率170 W,扫描速度300 mm/s,扫描间距0.04 mm的工艺组合下,获得最高致密度为96.8%。在此工艺下成形出的CuCrZr合金试样屈服强度为(176.7±2.1) MPa,抗拉强度为(244.7±1.2) MPa,延伸率为29.4%±0.9%。     

Ti表面脉冲激光氮化成膜温度场的数值模拟

本文用有限差分法对金属钛表面脉冲激光生成氮化钛薄膜过程的温度场进行了三维数值模拟计算。模型主要考虑了入射的脉冲激光在时间与空间上的Gauss分布特性 ,以及工件的有限尺寸 ,工件材料热物理性质的温度依赖关系 ,对流辐射造成的表面热损失。此外还从理论上计算了激光脉冲在脉冲宽度加宽后的温度场变化。     

脉冲激光钼表面氮化处理温度场的数值模拟

本文用有限差分法对金属钼表面脉冲激光生成氮化钼薄膜过程的温度场进行了三维数值模拟计算,计算模型在能量平衡方程的基础上,将入射的脉冲激光在时间与空间上的分布以Gauss分布考虑,同时考虑工件尺寸、工件材料热物理性质及对流辐射造成的表面热损失等对温度场的影响,此外还从理论上计算了激光脉冲在脉冲宽度加宽后的温度场变化,分析了利用长脉冲激光进行材料表面相变硬化和激光重熔的可行性。