激光熔覆温度场和流场数值模拟研究现状和发展趋势

本文回顾了己报道过的激光重熔和激光熔覆熔池温度场和流场的数值模拟，重点评述了激光重熔和激光熔覆熔池温度场及流场数值模拟的数学物理模型和自由表面处理方法，并对这一领域今后的发展提出了自己的看法。     

激光熔覆温度场和流场数值模拟研究现状和发展趋势

本文回顾了已报道过的激光重熔和激光熔覆熔池温度场和流场的数值模拟，重点评述了激光重熔和激光熔覆熔池温度场及流场数值模拟的数学物理模型和自由表面处理方法，并对这一领域今后的发展提出了自己的看法。     

钛合金表面激光熔覆TiC/NiCrBSi涂层温度场有限元模拟

为在钛合金表面获得优质激光熔覆涂层,用有限元方法研究了激光熔覆工艺对熔池温度场分布和凝固后熔覆层组织的影响,考虑相变潜热、辐射对流散热以及温度对热物理性能的影响等因素,建立三维有限元模型模拟了Ti6Al4V合金表面激光熔覆TiC/NiCrBSi复合涂层过程中的温度场,并结合熔覆过程的温度场分布,对涂层的形貌、结合区、基...     

激光多道熔覆温度场的计算与分析

以45钢板材上熔覆三道Ni60自熔性合金粉末为例,对送粉式激光熔覆多道搭接情况下的温度场进行计算,得到了熔覆过程中基体上各点的温度变化规律及固定时刻熔覆层的温度分布曲线,分析了多道熔覆时温度场的变化规律.计算结果表明基体表面激光经过的中心点温度变化呈锯齿状,而离激光光源较远的基体上各点温度达到最大值存在一个滞后时间.多道搭接情况下,熔池内的最高温度,后两道熔覆层要略高于第一道熔覆层,且对于后两道熔覆层起熔时刻和熔覆结束时刻熔池内的最高温度明显高于熔池内的平均最高温度.     

激光熔覆的金属带横截面轮廓的形成过程分析

理论和试验研究激光熔覆过程中熔覆带的横截面轮廓的形成过程.基于物质守恒和能量平衡理论,熔池是一个准稳定系统.分析发现在激光熔覆过程中形成的熔覆带的横截面轮廓是由熔池内液态金属凝固界面上固相、气相和液相三相交界线上的点形成的,这些点将成为各自所在横截面上的熔覆带轮廓上的点.在忽略熔池内过热度不高的液态金属的流动性的条件下,基于对熔覆带的横截面轮廓形成过程的分析,提出了用低功率激光在基板上进行单道扫描、熔覆同轴输送的粉末得到的熔覆带横截面轮廓模型,并用功率为500 W的CO2激光进行了熔覆试验,得到了与计算相符合的结果.     

激光功率对钛合金双侧同步焊接温度场的影响

为研究激光功率对TC4钛合金T型结构双激光束双侧同步焊接温度场的影响,针对TC4钛合金T型结构的双激光束双侧同步焊接过程,建立了相应的有限元模型,利用有限元分析软件进行了焊接过程温度场的计算,研究了激光功率对熔池形状的影响规律,并对不同激光功率下的温度场进行了分析.结果表明:随着激光功率的增加,熔池的熔深、熔宽均有所增...     

激光工艺参数对7050铝合金Al/Ti熔覆温度场影响规律的模拟

针对7050铝合金表面激光熔覆Al/Ti复合粉体,建立了三维瞬态温度场有限元仿真模型。通过单因素仿真试验,获得了激光工艺参数(激光功率、激光扫描速度和光斑直径)对温度场的影响规律,并初步确定了各激光工艺参数的合理范围:激光功率1300~1600W,激光扫描速度90~300mm/min,光斑直径1.5~2.6mm。通过两组正交试验仿真,以基材区域熔池面积为评价指标,利用极差分析,得到各激光工艺参数在不同变化条件下,对基材区域熔池面积影响程度的大小顺序,讨论了采用激光比能表征激光工艺参数对熔覆层质量影响的局限性。通过工艺实验表明,仿真模型与实验结果较为吻合,验证了仿真模型的可靠性与准确性。     

激光选区熔化热输入参数对Inconel 718合金温度场的影响

采用有限元模拟及实验验证相结合的方法,通过模拟随温度变化的粉体层和已凝固合金层的热物理参数转化及激光往复扫描过程等,研究了不同激光扫描速率和功率条件下,制件温度场分布、熔池大小的变化规律。基于激光线能量密度的激光热输入综合参数,总结了Inconel 718合金激光选区熔化过程中熔池大小的预测方法。结果表明,在激光的作用下,温度场等温线分布呈现椭球型,同时椭球型向已凝固合金层偏移。在本次实验参数研究范围内,激光线能量密度与成型过程中熔池大小之间呈线性增长关系。同时,本研究通过激光选区熔化设备制备了不同激光热输入条件下的Inconel 718合金试样,并对熔池大小进行了实验验证,所得实验数据与模型预测结果吻合良好。     

钛合金表面激光熔覆技术的研究进展

金属表面激光熔覆技术是近年来发展起来的一种新型表面处理工艺.利用高能激光束对材料表面瞬间加热和熔池快速冷却的特性,在钛合金表面用激光熔覆一层陶瓷增强复合材料,能够显著提高钛合金的耐磨性能.简要阐述了金属表面激光熔覆工艺、钛合金表面激光熔覆技术及其在未来的发展方向.     

同轴送粉激光熔覆气泡逃逸行为及分布研究

目的 获取Inconel 718合金在同轴送粉激光熔覆过程中,熔池内气泡的动态行为及熔覆层中气孔缺陷的分布规律。方法 建立熔池内部气泡力学模型和方程,考虑气泡浮力、重力、气泡和熔液相对运动产生的黏滞力,以及熔液对流带来的拖曳力等力的综合作用,着重研究浮力、拖曳力对气泡逃逸行为的影响,并计算不同条件下的气泡逃逸时间;搭建“三明治”观测平台,原位观测在熔覆过程中熔池内气泡的动态行为,获取熔池寿命;进行单因素Inconel 718合金同轴送粉激光熔覆实验,探究熔覆层气孔缺陷的分布规律。结果 熔池寿命通常在0.2~0.4 s;熔池内气泡直径临界值约为60 μm,当熔池内气泡直径大于60 μm时更容易通过自身浮力逸出,与单因素实验获得的熔覆层中96.94%的气孔缺陷直径小于60 μm具有较好的一致性;对熔覆层气孔缺陷表征发现,浮力对临界直径以下气泡运动状态的影响一般小于拖曳力。结论 Inconel 718合金在激光熔覆过程中,熔池内气泡大小存在临界值,且主要受浮力向上运动及受拖曳力随熔池对流运动的影响,熔覆层中气孔缺陷倾向于分布在对流路径上。     

激光熔丝增材过程传热流动行为数值模拟

目的 研究激光熔丝增材制造过程的熔池流动特性,探究工艺参数对熔池流动与传热行为的影响.方法 建立了考虑运动丝材持续送进过程的激光熔丝增材熔池传热和流动行为数学模型.针对316L不锈钢的激光熔丝增材制造,开展了成形过程中丝材送进、熔化和凝固行为的实验和数值模拟研究.结果 模拟结果 显示在成形过程中,准稳态阶段激光辐照中心...     

316L不锈钢选区激光熔化单道熔池几何尺寸演变规律

目的 探究激光功率(P)和扫描速度(v)对单熔道熔池几何特征尺寸的影响规律,以及P–v组合工艺参数对熔池从成形到稳定状态经历的扫描距离的影响规律。方法 以316L为材料,通过单熔道数值仿真分析,建立P–v变量与研究目标之间的影响关系。结果 不同P–v参数组合对熔池几何尺寸的影响规律明显,熔池几何参数达到稳定状态需要经历一定的激光扫描距离(小于1 mm)。随着激光功率增大,熔池长度达到稳定状态所经历的激光扫描距离随之增大,而熔池深度尺寸随之减小。扫描速度增大到400 mm/s时,熔池达到稳定经历的扫描长度缩短了6.7%,扫描速度对熔池稳定性的影响效果不显著。结论 在SLM单道成形过程中,激光功率、扫描速度越大,成形熔池平均长度尺寸也越大;激光功率越大、扫描速度越小,成形熔池深度及平均宽度越大。模拟试验获得重熔效果较好的P–v参数组合为P=200 W、v=800 mm/s,重熔率达到94%。在熔池成形过程中,激光功率对熔池稳定性的影响起主导作用。为了减少成形件的边界翘曲,在打印试件初始成形阶段应在合理激光功率范围内选择较高的激光功率。     

T型接头旋转激光+GMAW复合焊熔池动态行为数值分析模型

目的 研究T型接头旋转光纤激光+GMAW复合焊熔池的温度场和流态特征,揭示气孔缺陷的产生及抑制机理。方法 依据光学、电磁学、传热学及流体动力学机理,建立T型接头旋转光纤激光+GMAW复合焊熔池数值分析模型。使用Fluent软件对旋转频率分别为50 Hz和100 Hz的T型接头旋转激光+GMAW复合焊进行温度场以及流态特征的模拟,对比不同频率下T型接头横、纵截面,从工艺和焊缝成形角度出发,针对不同频率对熔池、小孔成形以及气孔抑制的影响进行讨论。结果 当旋转频率为50 Hz时,纵截面内小孔最大深度为5.4 mm,横截面熔池内小孔开口直径相对较大,旋转一周后,小孔远离气泡,气泡无法逸出,形成气孔;当旋转频率为100 Hz时,纵截面内小孔深度显著降低,熔池体积明显减小,横截面内小孔最大开口直径和深度均降低,熔池尺寸也有所减小,在时间为0.097 s时,小孔上方区域出现的顺时针涡流不仅能抑制气孔,还能改善熔池的下垂以及立板焊趾处的咬边。结论 随着旋转频率的增大,小孔的最大开口直径和深度均降低,还对熔池具有搅拌作用,使熔池体积变小。     

Development of a theoretical process map for laser cladding using two-dimensional conduction heat transfer model

In blown powder laser cladding process, the powder travels across the laser path, gets heated up by absorbing laser energy, and finally melts on the substrate under the intense laser beam; as the substrate moves away this melt pool solidifies to form a continuous built-up layer. In the present study a two-dimensional conduction heat transfer equation has been solved using finite volume method to develop a theoretical process map for laser cladding. The developed process map indicates a range of scanning speed and powder feed rate for the feasibility of the process; the lower limit is dictated by the maximum melt pool temperature, and the higher limit by poor bonding due to lack of melting of the substrate (i.e. low dilution). Parametric regions for thick and thin cladding with low dilution can be decided from the process map. It is found that the process range expands with the increase in total absorbed power as well as power directly absorbed by the powder. Correlations for maximum melt pool temperature and dilution are presented. A process map for identifying the form and scale of the microstructure in the solidified layer is also presented.     

SLM成形薄壁件尺寸偏差预测与控制研究

目的 针对选区激光熔化成形薄壁件过程中存在的变形较大、精度低等问题,通过获得最优工艺参数区间来减小薄壁件的变形。方法 利用有限元软件分析薄壁件成形过程中温度场和应力场的演化规律;建立形变量预测模型并进行试验验证,研究工艺参数对薄壁件尺寸偏差的影响,得到激光功率、扫描速度与形变量之间的关系,实现对形变量的预测和控制。结果 随着扫描层数的增加,熔池的最高温度和热影响区也随之增大,等温线越密集,温度梯度越大,最终趋于稳定;薄壁件成形过程中,出现两侧壁边缘向内倾斜、上侧边缘出现内凹的现象,薄壁件的最大应力随层数的增加而减小,最大热应力主要分布在薄壁件底层的两端;形变量随激光功率的增大而增大,随扫描速度的增大而减小,薄壁件的形变量最小约为0.02 mm;试验验证所建立的数学模型误差在10%左右,误差较小,可以对形变量进行良好的预测和控制。结论 激光功率100～200 W、扫描速度800～1 000 mm/s为最优参数区间;降低能量密度可以有效降低薄壁件形变量,提高其精度。     

Simulation of temperature distribution in single metallic powder layer for laser micro-sintering

Simulation of temperature distribution in single metallic powder layer for laser micro-sintering (LMS) using finite element analysis (FEA) has been proposed, taking into account the adoption of ANSYS μMKS system of units, the transition from powder to solid and the utilization of moving laser beam power with a Gaussian distribution. By exploiting these characteristics a more accurate model could be achieved. The effects of the process parameters, such as laser beam diameter, laser power and laser scan speed on the temperature distribution and molten pool dimensions have been preliminarily investigated. It is shown that temperature increases with the laser power and decreases with the scan speed monotonously. For the laser beam diameter during single-track, the maximum temperature of the powder bed increases with the decrease in the laser beam diameter, but far from the center of the laser beam area, the temperature increases with the laser beam diameter. The molten pool dimensions in LMS are much less than that in classical selective laser sintering (SLS) process. Both molten pool length and width decrease with the laser beam diameter and the laser scan speed, but increase with the laser power. The molten pool length is always larger than the molten pool width. Furthermore, the center of molten pool is slightly shifted for the laser multi-track.     

磁场辅助电弧焊接旋转等离子体行为的数值模拟

目的 研究外加纵向磁场对倾斜电极TIG焊接的电弧温度分布、流动模式和工件所受热力作用的影响.方法 建立磁场-电弧复合焊接热、电、磁、流动的三维数学模型.通过数值模拟和高速摄像实验,揭示倾斜电极电弧在外加磁场作用下的流动、形貌及温度演化机制.结果 外加纵向磁场后,电弧流动速度明显增加,流动模式由沿电极方向喷射变为近似沿竖直方向旋转向下的流动模式;电弧对工件的热作用均匀性提高,热作用中心向电极正下方靠近,但在焊接横向方向上存在偏离;工件受到表面的电弧旋转拖拽力和内部的旋转洛伦兹力作用,最大洛伦兹力可达50000 N/m3.结论 基于所建立数学模型的模拟结果与实验电弧形貌吻合良好,结果表明,外加纵向磁场能够显著改变电弧的形态及流动模式,提高电弧热流密度的均匀性,并能够对熔池产生有效的搅拌作用.