送粉激光熔覆过程中熔覆轨迹及流场与温度场的数值模拟
送粉式激光熔覆数值模型基本问题研究_刘振侠
中 国激光 CHIN ESE JOU RN AL O F LA SERS
Vol. 30, N o. 6 June, 2003
文章编号: 0258- 7025( 2003) 06-0567- 04
送粉式激光熔覆数值模型基本问题研究
刘振侠, 黄卫东, 万柏涛
3 粉末落到熔覆熔池时的状态与混合
后的状态。其意义在于, 如果考虑固体粉末颗粒进 入熔池与液态进行混合, 则就计算来讲, 熔池内出现 两相流问题, 而且由于固相颗粒的熔化潜热使得熔 池流场和温度场的计算非常复杂。 312 过程的时间尺度
考察熔覆过程中质量和能量的传输一般是通过 量纲分析进行的。以下定义 几个时间尺度[ 3] : t d: 热量扩散相当于熔覆高度的距离所需要的时间; t r: 粉末颗粒在熔池中的平均 滞留时间; t m: 混合时间 或粉末在熔池 中完全分散开所需 要的时间; tf : 熔 化时间或熔化和溶解粉末所需要的时间。
Qcp
5T 5t
=
4
3 Pr
3 p
(
E
absorb
-
E emit )
( 2)
可以求出粉末粒子的温升
Tp -
Ta =
3lp
4
Pr
3 p
Qp cp
v
p
(
Eabsorb -
E emit )
( 3)
其中
E absorb = Pr 2p Bp Rx
E emit =
4
Pr
2 p
ERT
4
分别为单位体积粉末颗粒吸收与发射的功率( 单位
表 1 激光熔 覆时间尺度 Table 1 Time- scale of the laser cladding
40Cr 轴面激光熔覆Ni60 数值模拟
精 密 成 形 工 程第14卷 第5期134 JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING2022年5月收稿日期：2021–09–18基金项目：国家自然科学基金（51575110）；福建省自然科学基金（2020J01872） 作者简介：许明三（1974—），男，硕士，教授，主要研究方向为激光增材制造、硬脆材料加工技术、智能制造装备设计。
40Cr 轴面激光熔覆Ni60数值模拟许明三a,b ，陈相档a,b ，王建国a,b ，叶建华a,b ，韦铁平a,b（福建工程学院 a.机械与汽车工程学院；b.先进制造生产力促进中心，福州 350118）摘要：目的 针对激光熔覆过程中熔池内部复杂的传热和对流现象，分析激光功率和扫描速度对熔池内部温度场、流场演变和分布的影响。
方法 采用双椭球热源模型，建立了40Cr 轴面基体激光熔覆Ni60粉末过程的三维温度场流场数值模型，并进行试验验证。
结果 熔覆过程形成了近似椭球体的熔池，最高温度位于移动光斑中心偏后方，达到了2 080.4 K ；熔池内部金属流体形成了2个方向相反的旋流，熔池表面边缘受马兰戈尼对流的影响流速最大，达到了0.49 m/s 。
通过对比试验和模拟获得了熔覆层截面最高温度，最高温度最大相对误差为10.1%，数值模型具有较高的准确性。
结论 扫描速度对熔池存在时间和形状的影响要大于激光功率，激光功率对流场的影响大于扫描速度。
研究结果为轴面激光熔覆成形提供相关理论依据。
关键词：轴面；激光熔覆；Ni60；温度场；流场DOI ：10.3969/j.issn.1674-6457.2022.05.019中图分类号：TN249；TG174.4 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2022)05-0134-09Numerical Simulation of Laser Cladding Ni60 on 40Cr Shaft SurfaceXU Ming-san a,b , CHEN Xiang-dang a,b , WANG Jian-guo a,b , YE Jian-hua a,b , WEI Tie-ping a,b(a. School of Mechanical and Automotive Engineering; b. Advanced Manufacturing Productivity Promotion Centerof FJUT, Fujian University of Technology, Fuzhou 350118, China) ABSTRACT: There is complex heat transfer and convection phenomena in the molten pool during laser cladding. The effects of laser power and scanning speed on the evolution and distribution of temperature field and flow field in the molten pool were analyzed. The double ellipsoid heat source model was used to establish the three-dimensional temperature field and flow field numerical model of laser cladding Ni60 powder on 40Cr shaft substrate, and the experimental verification was carried out. The results showed that an approximate ellipsoidal pool was formed during cladding. The maximum temperature is located behind the center of the moving spot, reaching 2 080.4 K. The metal fluid in the molten pool formed two swirls in opposite directions, and the flow velocity at the surface edge of the molten pool was the largest under the influence of Marangoni flow, reaching 0.49 m/s. By comparing the maximum temperature of the cladding cross section obtained by the experiment and simulation, the maximum relative error of the maximum temperature was 10.1%, and the numerical simulation model had good accuracy. The effect of scanning speed on the time and shape of molten pool was greater than laser power, and the influence of laser power on the flow field was greater than that of scanning velocity. The results can provide theory for laser cladding on shaft surface. KEY WORDS: shaft surface; laser cladding; Ni60; temperature field; flow field轴类零件是工业、船舶、电力等重要领域机械装备最常用的典型零件之一，起到承受载荷和传递扭矩的作用。
激光熔覆温度场的ANSYS模拟
激光熔覆温度场的ANSYS模拟一、激光熔覆数值模拟的意义和简单历程激光熔覆的工艺特点是高功率激光束与金属交互作用产生熔池,而后快速自冷凝固形成合金熔覆层。
用试验方法来测量熔池内熔体的流动和温度是非常困难的,并且,缺少理论模型指导的大量试验在费用上是相当昂贵的。
运用ANSYS数值模拟可在一定的模型下提供完整的流场、热场及热物性参量场信息,并易于进行参数控制和多因素比较,在实际应用中具有很重要的意义。
二、激光熔覆温度场的有限元模型模拟采用预置法,利用CO2激光器在热作塑料模具钢P20表面熔覆H13粉过程中的温度场,激光扫描速率v= 0.005 m/s,激光功率P = 1.5 KW,光斑大小D = 4 mm。
1. 前处理(1)建立模型。
本文所建立的激光熔覆三维模型:B为熔覆层为30×6×1.5mm3的长方体,网格划分采用了SOLID70六面体单元,单元体积大小为0.5mm3。
A为基体,采用了SPLID90四面体热单元网格。
位于覆层旁边的大小为:30×4×15 mm3,单元体积大小为1mm3;下面为30×10×15 mm3 的长方体,单元体积大小为2mm3。
经过这样的处理,大大的减少了模型单元数和节点数,从而节省了计算时间,提高了计算效率,且对计算结果的精度影响不大。
(2)定义材料属性。
在温度场数值模拟中,必须确定下列热物性参数:导热系数(W/m℃)、密度(kg/ m3)、比热容C (J/kg℃)、焓— Enthalpy (J/m3) 等,其一般都随温度的变化而变化。
通过试验和线性插值的方法可获得高温时的一些数据。
P20的热物理性能示于下表1。
对于覆层H13,因为厚度比较薄,只有1.5mm,故在取参数时,取它的平均值,其密度为7800Kg/m3,热导率为39.2W/(m℃)。
(3)热源模型及加载。
采用了高斯分布热源模型的近似处理,圆形的激光是近似为2×2mm2的正方形强积分区域;光强近似分为如图1实体填充图形所示:图中,中心光强为单位1,其他角上4个单元为0.6128,边上8个单元为0.7828;光源每次向前移动一个单元格,如图1中从实线轮廓到虚线轮廓的移动,以步进法移动激光来代替实际上连续移动的激光,原则上要求步长非常短,模拟采用的时间步长为0.5s。
激光熔覆轴零件温度场和应力场数值模拟
摘要激光熔覆轴零件温度场和应力场数值模拟摘要激光熔覆技术是在基体表面上形成与基体相互熔合且具有完全不同成分与性能的合金熔覆层的先进技术。
该技术是通过激光短时间加热基体金属表面涂层材料，使材料经过快速熔化快速凝固过程，同时伴随着复杂的热物理过程和微观组织结构生成，形成一层具有优良性能的熔覆层，达到零件表面性能要求。
由于所受激光加工区域集中、温度变化大的原因，采用实验的手段来测量加工区域温度情况是非常困难的，因此采用数值模拟来研究激光熔覆温度场和应力场是非常有效的方法。
本文以ANSYS有限元软件作为分析手段，通过ANSYS建立有关轴零件有限元模型和细化网格，采用表面效应单元对零件模型施加空气对流载荷，再将所模拟的激光加热以热载荷的形式加到零件实体表面。
通过ANSYS处理单元计算模拟情况并通过后处理器显示温度场结果。
然后在温度场的基础上，运用热-应力间接耦合法求解应力场。
关键词：有限元；数值模拟；激光熔覆；温度场；应力场；间接耦合ABSTRACTSimulation Analysis on Thermal Field and Stress Field of Shaft Parts Laser CladdingABSTRACTLaser cladding is an advanced technology by which a powered material with completely different composition and property can be melted and consolidated onto matrix surface then formed metallurgical bonding with the matrix.The technology by laser heating substrate metal surface coating materials, to make it through the rapid melting and rapid solidification process, accompanied complex thermal physical process and microstructure generation process, forming a cladding layer having excellent properties, meets the requirements of the required surface.Because of centralized laser processing area, rapid temperature changes, the traditional mode of experiment to measure processing area temperature is difficult, so the study of numerical simulation is a very effective method to research laser cladding thermal field and stress field now.In this thesis ANSYS finite element software is used as the analysis method. establish the model and mesh with shaft parts by ANSYS, the surface effect element apply for air convection load parts model, then the simulation of laser heating with heat load is added to the parts in the form of solid surface. After processing unit calculated by ANSYS ,simulation and microprocessor is used to get simulation results of thermal field.Then on the basis of the thermal field, thermal- stress indirect coupling method is used to solve stress field.Keywords: finite element; numerical simulation; temperature field;stress field; laser cladding;indirect coupling目录摘要................................................................................ 错误！未定义书签。
激光熔覆中同轴粉末流温度场的数值模拟_杨洗陈
第29卷 第11期光 学 学 报V ol.29,No.112009年11月ACTA OPTICA SINICANovember,2009文章编号:0253-2239(2009)11-3114-07激光熔覆中同轴粉末流温度场的数值模拟杨洗陈 栗 丽 张 烨(天津工业大学激光技术研究所,天津300160)摘要 在激光同轴送粉熔覆中,由于激光与粉末流相互作用,粉末流整体温度分布直接影响激光熔覆的质量。
基于非预混燃烧模型,将激光相处理为连续性介质,粉末颗粒相看作离散相物质,建立了激光作用下粉末流的质量、动量和能量方程。
用Fluent 软件进行了不同激光功率和粉末流速度条件下粉末流整体温度场数值模拟,讨论了各种参数对温度场分布的影响。
为了验证该模型的准确度,利用CCD 比色测温方法测量了粉末流整体温度场分布。
结果表明,数值模拟与CCD 检测结果具有良好的一致性,数值模拟结果对激光熔覆具有指导意义。
关键词 激光熔覆;粉末流;温度场;数值模拟;Fluent 软件;CCD 相机;温度测量中图分类号 T N 249 文献标识码 A doi :10.3788/AOS 20092911.3114Nume rical Simulation of Temperature Fie ld of Coaxial Powder Flowin Lase r CladdingYang Xichen Li Li Zhang Ye(La ser Pr ocessing Cent er ,T ian jin P olytechnic Un iver sit y ,T ia n jin 300160,Chin a )Abstract I n la ser coaxia l cladding,laser casing qualities are directly affected by temperature field of powder flow for the interaction between laser and powers.According to the model of non -premixed c om bustion,regarding laser beam as c ontinuity medium pha se and powder a s disperse medium phase,the conservation equations of mass,m oment um and energy are established in laser and powder puter simulations of tem perature field in different para meters are finished using Fluent software.Some effects of laser c ladding parameters on temperat ure distribution such as laser power and powder flow velocity are discussed.Temperature field distribution in the powder flow is measured by CCD c amera.It is shown that simulation and experimental results agree well,numeric al simulation of temperature field in powder flow is important for laser cladding.Key wo rds la ser cladding;powder flow;temperature field;num eric al simulation;Fluent software;CCD camera;m ea surments temperature收稿日期:2009-07-20;收到修改稿日期:2009-09-28基金项目:国家自然科学基金(60478004)和天津市科技支撑计划重点项目(08ZCKF GX02300)资助课题。
激光熔覆多层涂层温度场的数值模拟
Electric Welding Machine·61·第51卷 第5期2021年5月Electric Welding MachineVol.51 No.5May 2021本文参考文献引用格式：孙越，张兆林，刘欣，等. 激光熔覆多层涂层温度场的数值模拟[J]. 电焊机，2021，51（5）：61-65.激光熔覆多层涂层温度场的数值模拟0 前言 目前激光熔覆技术在表面工程、机械修复等诸多领域有着广泛的应用[1]。
它是利用高能束热源同时对熔覆材料和基体表面进行加热熔化，并快速凝固，从而实现熔覆层与基体的冶金结合[2]。
激光熔覆涂层的性能取决于熔覆材料，常见的熔覆材料有铁基、钴基、镍基以及陶瓷粉末等。
由于熔覆过程中熔覆材料和基体材料之间存在着巨大的热物性差异，因此熔覆层制备过程中极易产生较大的残余应力，这也是导致熔覆层开裂的直接原因[3-4]，限制了激光熔覆技术的发展与应用。
残余应力主要来自热应力、相变应力和拘束应力，其中热应力占据主导作用，热应力是当材料受热或冷却时因材料的温度梯度造成的。
因此，研究熔覆过程中的温度场对控制熔覆层的开裂具有重要的意义。
收稿日期：2021-01-24作者简介：孙 越（1989—），男，硕士，工程师，主要从事火电厂无损检测和理化分析，以及激光熔覆表面改性的研究工作。
E-mail： *****************。
文中采用ANSYS “ 生死单元 ”技术研究了多层激光熔覆温度场中节点热循环和温度梯度的变化规律，分析了预热温度对熔覆热循环的影响，旨在为激光熔覆成形工艺提供理论基础与现实依据。
1 建立模型1.1 熔覆材料的物理参数及熔覆工艺参数 模拟过程中选取12Cr1MoV 钢为基体材料，316L 不锈钢为涂层材料，与温度变化相关的参数（线膨胀系数、比热容、导热系数）如表 1所示。
其他参数为：激光功率1 000 W，激光半径1.5 mm，扫描速度4 mm/s，吸收系数0.6，初始温度20 ℃。
送粉式激光熔覆裂纹机理的数值模拟
送粉式激光熔覆裂纹机理的数值模拟蒙宣伊【摘要】在对送粉式激光熔覆应力产生机理进行深入分析的基础上,结合应力场数值模拟分析,结果表明熔覆层中心偏基体一侧是裂纹敏感区,该区域处于纵向拉伸、横向和厚向压缩的第三类主应变状态.【期刊名称】《湖南工程学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2010(020)001【总页数】4页(P39-42)【关键词】送粉式激光熔覆;数值模拟;应力场【作者】蒙宣伊【作者单位】湘电集团,风能有限公司,湘潭,411102【正文语种】中文【中图分类】TG404激光熔覆是一种新型的材料加工与表面改性技术,它可以在低成本材料上制成高性能表面,提高材料的综合性能,降低能源消耗,该技术引起了西方各国的高度关注[1-5]. Yunchang Fu,A.Loredo等建立了熔覆过程的解析模型[6],示意图如图1所示.图1 激光熔覆模型示意图目前已有模拟温度场和应力场的文献,但均没有考虑激光束与粉末的交互作用,因此,研究激光熔覆过程的应力产生机理,从而提出减少和消除残余应力的方法,对于激光熔覆技术的完善和推广具有重要实际意义.1 熔覆及凝固的有限元模型基体Q235力学性能参数见表1,熔覆层材料力学性能参数如表2所示.表1 基体Q235力学性能参数温度T/℃ 20 250 500 750 1000 1500 1700 2500弹性模量E/105 MPa 2.05 1.87 1.50 0.7 0.2 0.19 0.12 0.12屈服应力σs/MPa 220 - 130 40 25 - 1.0 0.1切向模量 Et/102 MPa 205 - 150 70 20 - 18 12泊松比μ 0.28 0.29 0.31 0.35 0.40 0.45 0.50 0.50线性膨胀系数at/10-6.0C 11.0 12.2 13.9 14.8 13.4 13.3 13.1 13.1表2 熔覆层材料力学性能参数温度T/℃ 20 100 200 300 400 600 1000 1200 2500弹性模量E/105 MPa 2.06- - - - - - - -切向模量Et/102 MPa 355 - 305 - - 299 268 245 230泊松比μ 0.25 - - - 0.28 - - 0.3 0.3线性膨胀系数at/10-6℃ 11.5 11.6 11.8 12.2 12.6 12.9 - 14.0 14.5本文中环境温度为293 K,工件无初始应力,采用对称模型,位移和对称约束见图2,这样让约束点尽量分散,且远离光斑加热区,避免计算产生偏差.本文在模拟激光熔覆的热应力场时,采用生死单元法实现熔覆层的生长过程,在熔覆开始前把熔覆单元“杀死”,并在每一步热应力计算时,将对应温度场的计算结果加载到应力场模型中.同时采用改变单元属性法,在开始计算前,先定义熔融金属的材料属性(熔融金属包括处于熔化状态的熔覆粉末和基体熔池金属)材料编号为3,使它们的屈服极限和弹性模量都很低,且不随温度变化,熔覆材料属性编号为2,基体材料编号为1.熔覆材料和基体的力学性能参数都随温度变化.图2 位移与对称约束在程序计算过程中,首先改变结构单元为热单元,在温度场后处理器中读取节点温度值,将超过熔点的熔覆层单元和基体单元分别存入温度表中.再转换热单元为结构单元,并改变这些单元材料属性.2 应力场模拟结果与讨论2.1 熔覆层中心应力应变分布图3 应力随时间变化曲线图图3 为熔覆层中心某点应力随熔覆时间变化曲线图,图中SZ表示纵向应力,SX表示横向应力,SY表示厚向应力.当时间t=6.667 s时,光斑照射到该点时,该点所在的单元被激活,并迅速达到熔点温度,应力场计算近似等于零;t=7.333 s,光斑移出该点,该点很快降至熔点温度,并开始凝固.材料冷却收缩,受到基材或自身温度不均匀的限制,处于拉应力状态.在塑性范围内,拉应力纵向最大,横向次之,厚度方向最小.拉应力的数值取决于材料的流动应力,随温度的下降,流动应力上升,拉应力表现为上升趋势,当材料进入弹性状态后,横向和厚度方向上的拉应力下降明显,纵向应力基本保持不变.图4 残余应力分布云图图3 (a)为冷却600 s后的纵向残余应力分布云图,由图看出,最大纵向残余应力σzmax=978 MPa,且靠近基体的熔覆层上,这是由于熔覆层材料的屈服强度、切变模量均高于基体,且熔覆层的温度梯度大,所以导致残余应力较大.图3(b)为冷却600 s后横向残余应力分布云图,横向残余应力最大值出现在熔覆层边界与基体的交界处,σxmax=387 MPa.图5 至图7分别为熔覆层中心点横向、厚向和纵向的应变变化情况,包括热应变(Thermal)、弹性应变(Elastic)、塑性应变(Plastic)和总应变(Total)总应变等于热应变、弹性应变、塑性应变三者之和.在时间t=6.667 s到t=7.333 s之间,该点在激光光斑内,处于熔化状态,因此出现应变突然增大的情况.当激光光斑移除该点后,该点温度迅速降低,应变都迅速减小;进入弹性状态后,各向总应变均趋于平缓.由图5至图6可以看出,各向应变中,热应变最大,且总大于零;x、y向塑性应变小于零,z向塑性应变大于零.无论弹性应变和塑性应变符号怎么变化,总应变(total)总大于零.说明,热应变是决定材料处于拉伸或压塑塑性变形的决定因素;最终的横向X方向总应变小于零;厚度Y方向的应变趋于零;纵向Z方向的应变最大.图7 纵向应变随时间变化曲线由于熔覆层心部组织冷却速率要低于周围组织,心部凝固收缩受到周围组织的拘束作用.在三向应力中,纵向应力要远大于其它两向应力,最终表现为纵向产生拉应变,其它两向产生压应变,熔覆层中心的主应变图为第三类主应变图[7],如图8所示.周围组织对其有类似于挤压和拉拔的作用.这进一步说明了实际生产中熔覆层总是产生横向裂纹这一事实,熔覆层横向裂纹如图9所示.图8 第三类主应变图图9 熔覆层横向裂纹2.2 熔覆层应力随厚度梯度分布图1 0和图11为冷却600 s后沿工件中心厚度方向从上至下纵向应力和横向应力变化曲线图.由图10看出,熔覆层(高1 mm)纵向应力从上至下逐渐增大,到熔池附近达到最大值,这说明熔池附近是裂纹高发区,容易产生横向裂纹.过熔池后纵向应力逐渐减小,且始终为拉应力,对称线上的拉应力由两侧压应力补偿.图11表明,熔覆层上横向应力沿厚度方向从上至下是由压变拉,到熔池附近拉应力达到最大.基体则是上下两侧受拉,中间受压.2.3 激光熔覆应力机理分析激光熔覆过程产生的内应力是典型的由于材料温度变化而形成的热应力.送粉式激光熔覆过程中,可以近似认为所有形成熔覆层的粉末在达到基体之前全部熔化,到达基体后将热量传递给基体,同时基体也直接受到激光束的照射,并在光斑内形成熔池.处于液态的金属流动应力较小,其受热膨胀由于受到周围材料限制所产生的不均匀的压缩塑性变形和压应力可以忽略不计.而与熔池相邻的高温区(未熔化)产生热膨胀,膨胀受到周围材料的限制,产生不均匀的压缩塑性变形和压应力;在冷却过程中,高温区一定程度上又被拉伸而卸载;同时,熔池的冷却凝固过程中,也受到周围材料的限制,难以自由收缩,产生拉应力与拉伸塑性变形;此外,由于金属相变后体积发生变化,也会产生相应的相变应力;熔覆粉末与基体材料热膨胀系数、弹性模量的差异,也会导致内应力的产生.3 结论(1)熔覆层中心区域一直受到拉伸应力,产生拉伸塑性变形;熔池附近的基体先受到压应力,产生压缩塑性变形,然后随着熔覆的进行和冷却再受到拉应力,产生拉伸塑性变形.(2)熔覆层纵向应力最大,横向应力次之,厚度方向应力最小.三向拉应力当材料在塑性状态均表现为上升趋势,当材料进入弹性状态后,横向和厚度方向上的拉应力下降明显,纵向应力基本保持不变.(3)熔覆层中心靠近基体一侧是裂纹敏感区,该区域处于纵向拉伸、横向和厚向压缩的第三类主应变状态,周围组织对其有类似于拉拔和挤压的作用.总之,送粉式激光熔覆智能控制与数值模拟技术方兴未艾,还有很多不确定因素需要探索,希望本文的研究工作能为该领域的发展起到抛砖引玉的作用.参考文献【相关文献】[1]王仲任,郭殿俭,王涛.塑性成形力学[M].哈尔滨工业大学出版社,1989:35-36.[2]las K.Tsirbas K.Salonitis G..Chryssolouris.Ananalytical Model of the Laser Clad Geometry[J].Int JAdv Manuf Technol,2007,32:34-41.[3]Edson Costa Santos,Masanari Shiomi,Kozo Osakada.Rapid Manufacturing of Metal components by laser forming[J].International Journal ofMachineTools&Manufacture,2006,46:1459-1468.[4]Jichang Liu,Lijun Li.Study on Cross-section Clad Profile in Coaxial Single-pass Cladding with a lowpower laser[J].Optics&Laser Technology,2005,37:478-482.[5]Kai Zhang,Weijun Liu,Xiaofeng Shang.Research on the Processing Experiments of Laser metal Deposition shaping[J].Optics&Laser Technology,2007,39:549-557.[6]U.deOliveira,V.Ocelik,J.Th.M.DeHosson.Analysis of Coaxial Laser Cladding Processing Congditions[J].Surface&Coatings Technology,2005,197:130-135.[7]Yunchang Fu,A.Loredo,B.Martin.A theoretical model for laser and powder particles interaction during laser cladding[J].Journal of Materials ProcessingTechnology,2002,128:106-112.。
激光快速成形激光、粉末与熔池交互数值模拟.
激光快速成形激光、粉末与熔池交互数值模拟1 前言激光快速成形技术是一项新的先进的制造技术,能够实现高性能复杂结构致密金属零件的快速、无模具、近终形制造,在航空、航天、汽车等高技术领域具有光明的应用前景[1-2] 。
随着激光快速成形技术研究的深入开展,迫切要求发展建立能够准确描述激光熔覆过程的理论模型以准确把握其内在机理。
激光快速成形的核心是激光熔覆——激光熔化粉末并逐层堆积的过程（如图1），在此过程中熔池自由表面是激光能量和粉末质量进入熔池的自由界面，同时也是熔覆层生长的动态边界，所以粉末与熔池交互是激光快速成形过程不可回避的基本问题，而要实现高性能复杂结构致密金属零件的整体精确制造则必须建立可靠的激光、粉末与熔池交互，从而在此基础之上实现激光快速成形过程的模拟。
图1 激光熔覆粉末熔化与逐层堆积过程2 激光、粉末与熔池交互在激光快速成形过程中，由于激光加热和粉末流的输入，导致熔覆层的生长，而熔覆层的不断生长及逐层堆积又导致了成形件连续体域的不断变化，而成形件连续体域的这种变化又会影响动态温度场、流场的形成及发展，反过来，动态温度场、流场又会影响熔池对激光能量和粉末吸收，导致成形件连续体域的不断变化。
上述过程如图2所示。
图2 激光、粉末与熔池交互过程由图可以看出，熔覆层生长是粉末与熔池自由表面作用、粉末与熔池熔液混合流动及熔化最后凝固堆积的结果，粉末之所以能进入熔池是因为激光加热成形件表面形成温度场分布，而在熔池处的温度超过熔点，形成了粉末可进入熔池的窗口——液态的熔池自由表面。
熔池自由表面是成形件熔覆层生长的动态边界，是能量和质量进入的自由界面，所以激光、粉末与熔池交互伴随着熔池自由表面界面移动及熔覆层生长，是和熔池温度、流场及气/粉两相流场的形成及发展密不可分的。
总的来说，激光、粉末与熔池交互主要包括： a. 激光与粉末交互，包括粉末对激光的遮蔽、粉末温度的升高及激光能量的空间分布；b. 气粉两相流的形成及粉末在工件及熔池表面的空间质量分布; c. 粉末与熔池表面以及工件表面交互，包括粉末的被捕捉及反弹；d. 熔池自由表面界面移动及熔覆层生长，包括温度及流场及自由表面界面演化等几大问题。
同步送粉式激光熔覆过程温度场数值模拟
同步送粉式激光熔覆过程温度场数值模拟孙福臻;曲文峰;杨立宁;邵东强【摘要】为测定同步送粉式激光熔覆过程温度场分布情况,需采用ANSYS软件对温度场进行数值模拟计算.建立了同步送粉式激光熔覆过程的数学模型与有限元模型,通过ANSYS软件得到了温度场数值模拟计算结果.针对激光熔覆过程中的拉应力消除与裂纹控制等问题,提出了双面熔覆的预热方法,并通过ANSYS数值模拟的方法确定了最佳翻转时间.通过模拟结果与实验结果对比了双面熔覆方法的优越性.双面熔覆方法可为同步送粉式激光熔覆的预热处理提供了行之有效的方法.%ANSYS software is needed for numerical simulation of temperature field to determination the temperature field distribution of synchronous powder feeding laser cladding. The mathematical model and finite element model of synchronous powder feeding laser cladding was established,and the temperature field numerical simulation result was obtained by ANSYS software. Aiming at the problems of tensile stress relieving and crack control in the process of laser cladding,two-sided cladding method was proposed,and the best turnover time was confirmed through the ANSYS numerical simulation method. The superiority was contrasted through the simulation results and the experimental results.Two-sided cladding method can provide an effective method for preheating treatment of synchronous powder feeding laser cladding.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2017(000)010【总页数】3页(P126-128)【关键词】激光熔覆;温度场;双面熔覆方法;最佳翻转时间;数值模拟;ANSYS【作者】孙福臻;曲文峰;杨立宁;邵东强【作者单位】机械科学研究总院先进制造技术研究中心,北京 100083;先进成形技术与装备国家重点实验室,北京 100083;机械科学研究总院先进制造技术研究中心,北京 100083;先进成形技术与装备国家重点实验室,北京 100083;机械科学研究总院先进制造技术研究中心,北京 100083;先进成形技术与装备国家重点实验室,北京100083;烟台泰利汽车模具制造有限公司,山东烟台 264670【正文语种】中文【中图分类】TH16;TG456.7激光熔覆是一种重要的材料表面改性技术，它是以高能密度的激光为热源在基材表面熔覆一层熔覆材料，使之与基材实现冶金结合，在基材表面形成与基材具有完全不同成分和性能的合金层的表面改性方法[1]。
选区激光熔化快速成型过程温度场数值模拟
选区激光熔化快速成型过程温度场数值模拟师文庆;杨永强;黄延禄;程大伟【摘要】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.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2008(032)004【总页数】3页(P410-412)【关键词】激光技术;选区激光熔化;模拟;ANSYS;温度场【作者】师文庆;杨永强;黄延禄;程大伟【作者单位】华南理工大学,机械工程学院,广州,510640;广东海洋大学,理学院,湛江,524088;华南理工大学,机械工程学院,广州,510640;华南理工大学,机械工程学院,广州,510640;华南理工大学,机械工程学院,广州,510640【正文语种】中文【中图分类】TF124引言选区激光熔化(slective laser melting，SLM)是最近十来年才发展起来的一种先进制造技术。
用SLM技术可得到冶金结合的、相对密度接近100% 的金属实体，适合于成型各种复杂形状的工件[1]。
不同材料的热物理特性不同，加工过程中的温度场分布不同，而温度场的分布对其成型结果起决定性的作用[2-3]。
所以，针对不同材料SLM的工艺参数较难选择的问题，在加工前对其温度场进行模拟[4-6]，通过模拟反过来调整其工艺参数以得到更好的加工结果，如此以达到通过模拟来指导实际加工的目的。
ANSYS是一种通用有限元分析软件，它可用于计算温度场分布。
作者用ANSYS的热分析对SLM过程进行数值模拟，通过模拟反过来指导SLM加工。
基于生死单元的激光熔覆温度场数值模拟
基于生死单元的激光熔覆温度场数值模拟基于生死单元的激光熔覆温度场数值模拟摘要:计算了不同激光功率条件下粉末颗粒到达基底前的温升，并以粉末颗粒到达基底前的温度为初始条件。
用生死单元法研究了单通道和多通道激光熔覆温度场。
利用熔池的大小和形态，验证了模型的可靠性。
结果表明，粉末颗粒的温升与激光功率呈线性关系。
单个包层的温度变化是锯齿状的。
温升过程近似为直线，温降曲线近似为双曲线。
在多通道熔覆过程中，温度场呈微椭圆形。
节点上的热循环经过一个逐渐增加的峰值。
峰值温度最终趋于稳定。
0系列激光熔覆根据送粉工艺不同可分为两种类型，即粉末预置法和同步送粉法。
本发明具有易于自动控制、激光能量吸收率高、无内部气孔的优点。
特别是对于覆层金属陶瓷，覆层的抗裂性可以显著提高，并且硬质陶瓷相可以均匀地分布在覆层中。
有广阔的应用空间。
国内学者利用ANSYS [1-4对激光熔覆过程的温度场和应力场进行了大量的研究工作。
目前，利用ANSYS模拟激光熔覆温度场的研究没有考虑激光束与粉末的相互作用。
事实上，激光束首先作用于粉末。
除了损失的能量，部分激光束被包覆粉末吸收。
另一部分通过粉末被基质吸收。
除了直接吸收激光束能量，基质还吸收从粉末转移到基质的能量。
因此，有必要在仿真前弄清激光能量的分布，使所建立的模型更接近实际，仿真结果更有说服力。
本文将粉末在到达基体前吸收能量后的温升作为初始温度场加载到基体上。
同时，利用有限元分析软件ANSYS中的生死单元技术模拟了熔覆单元的生长过程。
高斯体热源加载基体吸收的能量，模拟送粉激光熔覆的温度场分布。
在此基础上，模拟了多道次激光熔覆的温度场，研究了多道次激光熔覆的温度场。
当屏蔽激光时，1粉末到达基体前的温度为粉末。
它还吸收部分激光能量，从而提高其温度。
事实上，粒子直接吸收激光辐射能量并发射辐射能量，而不考虑等离子体的影响(能量密度低于105W /cm2)。
在空气中，粉末颗粒也因空气对流而耗散能量，并且颗粒也相互加热。
基于激光光斑直径的激光熔覆粉末汇聚特性数值模拟
激 光 与 红 外 Ｎｏ．６ ２０２１ 赵陈敏等 基于激光光斑直径的激光熔覆粉末汇聚特性数值模拟
７２９
μｔ
＝ρＣμ
ｋ２ ε
（３）
其中，Ｃμ ＝００９为常数；ｋ为湍流动能；ε为耗散率。 湍流动能守恒方程：
( ｘｉ
ρεｕｉ)
＝ｘｊ［（μ＋σμｔｋ）ｘｋｊ］＋Ｇｋ ＋Ｇｂ －ρε
（４）
湍流动能耗散守恒方程：
７２８
激 光 与 红 外 第 ５１卷
激光熔覆根据送粉方式的不同分为旁轴送粉、 同轴送粉以及预置粉末等，其中同轴送粉消除了激 光束与粉末流不对称导致激光扫描方向无法随意改 变的问题［１，３］。 在 同 轴 送 粉 的 激 光 熔 覆 过 程 中，粉 末的汇聚特性是影响着熔覆层质量的关键因素，而 同轴送粉的喷嘴结构、送粉参数等是影响粉末汇聚 特性的主要因素。
１ 引 言 激光熔覆喷嘴作为送粉系统的关键部位之一，
影响着粉 末 的 输 送 特 性 和 熔 覆 层 质 量［１］。 合 适 的
粉末输送特性不仅可以提高粉末利用率，还有助于 提高涂层质量。要准确获得粉末输送过程的流动特 性，需要详细的分析和计算［２］。
基金项目：国家自然科学基金项目（Ｎｏ５１５７５１１０）；福建省中青年教师教育科研项目（ＮｏＪＡＴ１９０４０７）资助。 作者简介：赵陈敏（１９９４－），男，硕士研究生，主要从事激光增材制造技术研究。Ｅｍａｉｌ：ｚｈａｏｃｍ１９９４＠１６３ｃｏｍ 通讯作者：练国富（１９８０－），男，博士，教授，主要研究方向为激光增材制造。Ｅｍａｉｌ：ｇｆｌｉａｎ＠ｍａｉｌ．ｕｓｔｃ．ｅｄｕ．ｃｎ 收稿日期：２０２００７１６
用粘性可压缩定常流动的 ＮａｖｉｅｒＳｔｏｋｅｓ方程，采用 标准 ｋ－ε模型求解［１０］。湍流流动的控制方程如下 所示 ： ［５，１１］
激光熔覆中粉嘴流场的数值模拟_杨楠
文章编号:0258-7025(2008)03-0452-04激光熔覆中粉嘴流场的数值模拟杨 楠 杨洗陈(天津工业大学激光技术研究所,天津300160)摘要 建立了激光熔覆中由粉嘴输出的保护气体-金属粉末两相流场计算模型,应用FL U EN T 软件进行计算。
该模型中考虑了两相流中动量和质量的传输。
分析了金属粉末流场的水平方向和中心线上的速度分布规律,以及粉嘴内外粉末流的速度矢量分布规律。
计算结果表明,中心线处粉末流速度分布先呈现微小的增大减小过程,而后单调递增,大约从粉嘴下方100mm 后呈线性递增;速度水平分布先在中心线附近达到最大而后在径向距离6~11mm 区间内线性递减至零。
在相同的工艺参数下,应用数字粒子图像测速(DPIV )技术对同一流场进行检测,计算值和测量值吻合较好。
结果表明,所建立的保护气体-金属粉末流速度场模型是可靠的,该模型对掌握流场参数分布和进一步指导粉嘴尺寸设计有一定的参考作用。
关键词 激光技术;粉末流速度场;数字粒子图像测速技术;粉嘴中图分类号 T N 249;T F 124 文献标识码 ANumerical Simulation of Flow Field of Nozzle in Laser CladdingYang Nan Yang Xichen(L aser P r ocessing Center ,T ianj in Poly technic Univ er sity ,T ianj in 300160,China)Abstract A numerical mo del of velocity dist ribution of shielding g as -metal pow der two phases f low field o utputfrom t he nozzle in laser cladding is established,and it is calculated by FL U EN T soft war e.In t his model,the influences of mo mentum and mass tr ansmissio n o n the tw o phases flow are taken into co nsideration.T he metal po wder flow field velo city distributio n on hor izontal and center line is analyzed,as well as the v elocity vector distr ibut ion of pow der flow inside or outside the no zzle.T he results show that po wder velocity mag nitude on center line increases first,then decr eases,finally it keeps linearly increasing fr om the stand -o ff distance 100mm belo w the no zzle;pow der v elo city mag nitude on ho rizo ntal line r eaches its maximum near the center line,then linear ly decreases to 0from t he r adial distance 6mm to 11mm.U nder the same pr ocess parameter s,the same flow field is measured w ith digit al par ticle imag e v elo city (D PIV )technique.T he calculated r esult ag rees well with the measured result,w hich indicates that the est ablished model is r eliable.T he mo del can be used to obtain flow field par amet ers and further design the no zzle size.Key words laser technique;velo city field of pow der flo w;digita l particle imag e velo city technique;nozzle收稿日期:2007-08-07;收到修改稿日期:2007-09-23 基金项目:国家自然科学基金(60478004)资助项目。
基于生死单元的激光熔覆温度场数值模拟
基于生死单元的激光熔覆温度场数值模拟摘要:计算了不同激光功率条件下粉末粒子到达基体前的温升情况,并将粉末粒子到达基体前的温度作为初始条件,采用生死单元法对单道和多道激光熔覆温度场进行了研究.利用熔池尺寸和形貌,验证了模型的可靠性.结果表明,粉末粒子温升和激光功率呈线性关系,单道熔覆层的温度变化呈一个锯齿状,升温过程近似呈直线上升,降温曲线近似呈双曲线的一支,而多道熔覆过程中,温度场呈后拖的偏椭圆状.节点上的热循环经过逐渐增大的峰值,峰值温度最终趋于稳态.0 序言激光熔覆按送粉工艺的不同可分为两类.即粉末预置法和同步送粉法.同步送粉法具有易实现自动化控制,激光能量吸收率高,无内部气孔,尤其熔覆金属陶瓷,可以显著提高熔覆层的抗开裂性能,使硬质陶瓷相可以在熔覆层内均匀分布等优点,具有广阔的应用空间.国内学者运用ANSYS对激光熔覆过程的温度场和应力场已经做了大量的研究工作[1-4].目前通过ANSYS 模拟激光熔覆温度场的研究并没有考虑激光束与粉末的交互作用,实际上激光束最先和粉末作用,激光束除了损失的能量以外,一部分被熔覆粉末吸收,另一部分则透过粉末被基体吸收.基体除了直接吸收激光束能量以外,还吸收粉末传递给基体的能量.因此很有必要在模拟之前搞清楚激光能量的分配情况,这样建立起来的模型与实际才更接近,模拟结果更有说服力.文中将粉末到达基体前吸收能量后的温升作为初始温度场加载给基体,同时采用ANSYS中生死单元技术模拟熔覆单元的生长过程,基体吸收的能量通过高斯体热源加载,模拟送粉激光熔覆的温度场分布情况.在此基础之上,模拟了多道次激光熔覆温度场,对多道激光熔覆温度场进行了研究.1 粉末到达基体前的温度粉末在遮挡激光的同时,也吸收了部分激光能量,从而使自身的温度升高.实际上,在不考虑等离子体影响(能量密度低于105W /cm2)情况下,粒子直接吸收激光辐射能,并放出辐射能.在空气中粉末颗粒也会由于空气对流散失能量,粒子之间也会相互加热这些能量在总能量中的比例很小,目前关于粉末颗粒温升的模型并不多见,而且在模型中需要建立假设条件[5].为了计算方便,在模型中假设:(1)粉末颗粒在气)粉射流中的体积分数很低,可以忽略激光的反射、折射、颗粒离子之间的相互加热和光束遮蔽等影响. (2)粉末颗粒是半径为rP的球体.由于粉末颗粒足够小,在能量计算时将其看成一个点,粒子的热导率为无限大,即认为粉末颗粒的温度是均匀一致的,在迎光面和背光面没有差异.(3)粉末颗粒只在迎光面吸收能量,但对外辐射则在整个球体表面发生. (4)粉末不吸收来自基体的反光.由以上假设,根据粒子的能量方程可以求出粉末粒子的温升.方程是非线性方程,使用Matlab软件采用迭代法求解.当激光功率P=2 kW时,在1 500~1 600 K范围内方程有解,于是初始值设为T=1 500 K,通过迭代求出方程的一实根为T=1 570 K.改变激光功率,得到不同激光功率下粉末离子到达基体时的温度,如图1所示,随着激光功率的增大,粉末粒子达到基体前的温升逐渐增高,且成近似线性关系增长.当激光功率P=1 500W时,计算出粉末粒子温升T=1 267 K,而Ni60粉末的熔点约为1 300 K.说明激光功率低于1 500W 时,粉末达到基体前不会熔化,这样粉末粒子就会以固体颗粒的形式和基体碰撞,飞溅严重,即使是部分粉末颗粒熔化形成熔池,基体熔深也得不到保障;当激光功率P=3. 0 kW时,T=2 111 K,这时粉末粒子的温度远大于熔点温度,会造成部分粉末颗粒的烧损.因此,在实际生产中应控制激光功率在一个合理的范围内图1 激光功率与粉末粒子温度关系曲线Fig11 Relation curve between laser power and tempera-ture rises of powder particles2 单道激光熔覆的模型在建立热源模型的过程中,粉末到达基体前与激光束发生交互作用,激光束对粉末的作用通过初始温度vT实现,即假设粉末飞行过程中吸收的有效能量全部用于升温,作为初始温度场施加给熔覆单元.根据Picasso的理论,基体吸收的能量可分为直接吸收和粉末热传递两部分,基体直接吸收的热量通过体热源形式实现.采用APDL语言编制热源的移动过程程序,实际操作中,始终以全局笛卡儿坐标系为求解坐标系,而载荷在局部坐标系下施加,这样通过熔覆方向上的坐标变换,实现全局坐标向局部坐标的转化,即z=Z-vt (1)式中:Z为全局笛卡尔坐标系下的坐标; z为局部笛卡尔坐标系下的坐标; v为光源移动速度; t为光源移动时间.采用ANSYS中生死单元技术模拟熔覆单元的生长过程,在计算开始时刻,所有熔覆层单元均设定为/死0单元.在随后每一步的计算中,首先判断所有/死0单元是否落入激光束的照射区域,如落入激光束照射区域,就将其激活,纳入计算模型中.2.1 热源模型文中粉末粒子的温升采用解析计算;基体直接吸收的激光束热源模型采用柱状高斯体热源,以此模拟熔覆层和基体中热量的三维分布和传导.体热密度表示为Q=Qmexp(-3r2/r2a)exp(-BZ) (2)r=(vt-x)2+y2(3)Qm=CPPabh(4)式中:Qm为加热斑点中心的最大体热流;B为激光体热密度沿厚度方向的衰减系数; r为某一深度任意一点(x,y)距体热流中心的距离; ra为激光的有效作用半径;a,b为高斯热源的长短轴;h为熔覆层深度;C为基体对激光的吸收系数.2.2 材料热物理性能参数激光熔覆过程就是加热)熔化)凝固)冷却的过程,其中包含着相变.相变热模型在数学上是一个强非线性问题,使计算发生困难.对于Q235基体材料,文中采用显热熔法,在糊状的熔化带内调整比热容c=$H/$T来近似计算[6],其中$H为熔化潜热,$T为熔化温度区间.粉末颗粒熔化潜热$HP=0. 26 J/mg,比热容c=4. 59@108J/kge,熔化温度区间为[1 230 K, 1 310 K].基体材料熔化潜热$HW=0. 273 9 J/mg. Ni60自熔合金的密度取常温下的值8. 378@103kg/m3.为了得到好的收敛解,激活牛顿)拉普森方法的线性搜索.3 单道激光熔覆温度场的模拟考虑到对称性,取工件的1/2进行分析.采用八节点六面体等参单元对工件进行离散.为保证计算精度,在熔覆层及其相邻部位对网格进行细化.采用生死单元技术编制程序,首先将熔覆层单元存入预先定义的数组中,将其全部/杀死0,然后建立局部坐标系,通过*DO循环实现光斑的移动,判断熔覆层单元是否落入激光光斑范围内,如果有则激活单元,如果没有则直接进入下一次循环.将粉末颗粒的温升作为初始载荷加载给被激活的熔覆单元.基体直接吸收的能量通过高斯体热源施加,用ANSYS自带的函数编辑器编写高斯函数.送粉速率va=71. 36 mg/s.模拟实现了熔覆层随着激光光斑的移动而逐渐生长的过程,图2为基体温度降温时任一温度场等值面图.图中最高温度区域边界,即基体对称面上距离基体上表面0. 50mm温度为1 653 K,而基体熔点温度为1 670 K,基体熔深即为0. 50 mm,这与实际检测结果0. 48 mm第5期赵洪运,等:基于生死单元的激光熔覆温度场数值模拟83 吻合较好,通过这种寻找熔点的方法确定熔宽为216mm,与实测结果2. 8 mm吻合较好.试验试样熔覆层金相组织形貌和数值模拟形貌对比如图3所示.图2基体温度场等值面图Fig. 2 Substrate iso-surface of temperature field图3试样金相组织形貌和数值模拟形貌对比Fig. 3 Metallography film and temperature field of moltenpool 根据以上分析,文中采用的模型是合理可行的,可以进行下一步的模拟分析.图4为熔覆层中序号为740的节点(x=0.000,y=0. 000 8 m,z=0. 021 m)的温度变化曲线.当时间t=6. 667 s时,该点开始受到激光光斑直接照射,温度迅速升高,当t=7. 0 s时激光光斑中心移至该点,该点温度升至最高点,当t=7. 333 s时,光斑移出该点,该点温度迅速降低.升温曲线近似呈直线,降温曲线近似呈双曲线的一支,整个曲线呈锯齿状.对曲线图求导数,就可以得到该点温度变化速率曲线.图4 温度变化曲线Fig14 Variation of temperature4 多道激光熔覆温度场模拟的实现4.1 多道搭接激光熔覆模型激光功率选取2. 0 kW,扫描速率为3. 0 mm/s,送粉速率取71. 36 mg/s,根据前文熔覆粉末到达基体时的温度的计算,初始温度为1 570 K.为了节省计算时间,只熔覆3道,搭接率取20%.这是因为多道熔覆数据文件较多,输出载荷步数超过1 000步.为了分析熔覆层上的热循环,在第一道顶点上取点A,在第二道和第三道顶点上取点B和点C,对不同熔覆层上的相同位置的点的热循环进行分析.图5为多道搭接取点示意图.图5 多道搭接顺序及取点示意图Fig15 O rder ofm ult-ipass laser cladding and taken pionts4.2 多道搭接激光熔覆模拟结果分析熔覆一道需要16. 667 s,激光器回程时间设置为1 s,即道间搭接时间间隔为1 s,熔覆完成需约52s,在空气中冷却.图6为激光器第一道回程过程恰好结束,即第二道结束时的温度场分布,虽然回程时间很短,但温度场却发生了很大变化,最高温度为861 K与最低温度630 K接近,温度场趋于平衡.图7为第三道熔覆过程中某时刻温度场分布,可见温度场呈后拖的偏椭圆状,即温度场椭圆不以光斑图6 第二道恰好结束时多道熔覆温度场云图Fig16 Contour of temperature field as second clad justfinished中心对称,而是偏向已形成熔覆层的一侧,这是多道温度场不同于单道熔覆的地方.多道熔覆之所以会形成偏椭圆形状,是因为前面先形成熔覆层的道次对后续熔覆产生了影响,先熔覆的熔覆层相对于未熔覆的区域来说有一个初始温差,使得温度场不能沿扫描线对称.图7 熔覆第三道时温度场分布云图Fig17 Contour of temperature field as cladding third clad按照图5所示的取点方法,分析各熔覆层上的热循环. A,B, C三点的温度随时间变化如图8所示.由图8知,三条曲线上最高峰值温度逐渐增高,这是因为A点是第一道熔覆层上的点, B, C 分别是第二道和第三道熔覆层上的点,前面道次的熔覆相当于给后续道次的熔覆起到预热作用.图8 A与B及C点温度变化曲线Fig18 Variation of temperature at points A, B and C5 结论(1)通过ANSYS生死单元技术实现了激光熔覆送粉过程的模拟计算.并通过试验证明该模型用于模拟送粉激光熔覆温度场是合理的,发现粒子温升和激光功率之间呈线性关系.(2)模拟发现单道熔覆过程熔覆层的温度变化呈一个锯齿状,升温过程近似呈直线上升,降温曲线近似呈双曲线的一支.(3)多道熔覆过程中温度场呈后拖的偏椭圆状,即温度场椭圆偏向已形成熔覆层的一侧.无论是基体还是熔覆层上的点,后一道上的最高温度均高于前一道次上的温度.但随着熔覆道次的增多,最高温度会趋于稳定.。
细长轴零件激光熔覆修复过程温度场数值模拟及变形研究
细长轴零件激光熔覆修复过程温度场数值模拟及变形研究黄勇;马文涛;张海明;于松林;潘江如【摘要】以细长阶梯轴为研究对象,提出了一种全新的轴类零件建模和网格划分方法.通过数值模拟研究了阶梯轴的温度场分布、应力场分布及轴的变形结果.根据关键节点的温度变化规律,验证了激光熔覆加工能量密度集中,热影响区域小的特点.分析了细长轴在激光熔覆过程中变形的原因,结果表明约束对热变形的抑制有很好的作用.对实际工程应用有重要的指导意义.【期刊名称】《机电设备》【年(卷),期】2017(034)004【总页数】8页(P28-34,37)【关键词】细长轴;激光熔覆;变形【作者】黄勇;马文涛;张海明;于松林;潘江如【作者单位】新疆工程学院,乌鲁木齐 830091;新疆工程学院,乌鲁木齐 830091;新疆开源重工机械有限责任公司,乌鲁木齐 830000;新疆工程学院,乌鲁木齐 830091;新疆工程学院,乌鲁木齐 830091【正文语种】中文【中图分类】TG2激光熔覆技术（Laser Cladding）是利用高能激光束在金属基体上形成熔池，将金属粉末或事先预置于基体上的涂层熔化，快速凝固后与基体形成冶金结合的合金熔覆层。
熔覆层凝固组织细小，易产生单向柱状晶，机械性能可远高于基体。
所以该技术可用于对零件上具有复杂形状、一定深度的制造缺陷、误加工或服役损伤进行修复和再制造。
轴类零件是机械行业最常见的典型部件之一，是机械的重要组成部分。
机械装备中大量的轴类零件在服役周期内会发生磨损等失效形式。
如果对其进行修复再制造，将能够减少大量的能源、资源消耗，为企业带来可观的收益。
细长轴类零件具有精度高、刚性弱和易变形的特点，不能采用传统方法进行修复。
激光熔覆工艺的热流密度集中、热影响区小，非常适合修复细长轴类零件。
赵文强、李宝灵等对采煤机截齿等轴类零件的激光熔覆修复工艺进行了研究[1-2]。
董世运等利用激光熔覆在对凸轮轴修复时提出了分段调整扫描速度的规划方法，成形尺寸较高[3]。
激光熔覆Ni基合金温度场的数值分析
激光熔覆Ni基合金温度场的数值分析权秀敏;丁林;魏兴【摘要】为了分析预置粉末Ni基合金熔覆过程的温度场和熔池的结晶变化规律，采用有限元方法建立了激光熔覆Ni基合金粉末过程的3维模型，考虑温度变化对热物理参量的影响以及表面对流换热和辐射散热等影响因素，使用SYSWELD软件对激光熔覆过程中的温度场和凝固结晶过程进行了分析及验证。
结果表明，最高温度位于光斑中心处，等温线近似椭圆形，并且向外逐渐减小；熔覆层上某点热循环峰值温度随着热源的远离而明显降低，且热循环起始由第1道次的室温增大到最后道次的730℃；形状因子有结合界面处的1.9×109℃・s・mm-2降到熔覆层表面处的0.7×109℃・s・mm-2，同时，二次枝晶的间距在结合面处最大，表面处达到最小值，与相同工艺参量下的金相组织和凝固结晶理论完全吻合。
该研究结果为激光熔覆过程的优化提供了指导意义。
%In order to analyze the rules of temperature field and molten pool crystalline diversification during the preset powder Ni-based alloy cladding process , a 3-D model of laser cladding was made with finite element method .Taking consideration of the impact of temperature changes on the thermal physical parameters and the effects of heat convection and radiation heat, temperature field and solidification and crystallization of laser cladding process were analyzed and verified by SYSWELD software.The results show that the highest temperature is at the spot center , the isothermal line is almost elliptical and the temperature declines gradually along the radius of the spot center .Thermal cycle peak temperature at a certain point on the coating reduced significantly as the heat source was away .Thetemperature increased from the room temperature at the first pass to 730℃ at the final pass.Shape factor is reduced from 1.9 ×10 9℃・s・mm-2 of bonding surface to 0.7 ×10 9℃・s・mm-2 of cladding surface.At the same time, secondary dendrite spacing is the biggest at the bonding surface and the smallest at the cladding surface .The calculation results are perfectly matched with metallographic microstructure and solidification and crystallization theory .The results provide theoretical guidance for the optimization of laser cladding【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2013(000)004【总页数】4页(P547-550)【关键词】激光技术;Ni基合金;有限元方法;温度场;凝固理论【作者】权秀敏;丁林;魏兴【作者单位】六安职业技术学院机电工程系，六安 237158;安徽国防科技职业学院机械工程系，六安 237011;六安职业技术学院机电工程系，六安 237158【正文语种】中文【中图分类】TG156.99激光熔覆是利用高能密度激光束作为热源的快速熔化和凝固的冶金过程，其特点是具有很大的温差和较高的凝固速率。
AlSi10Mg粉末激光选区熔化温度场的数值模拟
粉末激光选区熔化温度场的数值模拟杜洋,乔凤斌,郭立杰,李鹏,朱小刚（上海航天设备制造总厂有限公司，上海200245）摘要：使用有限元软件Ansys模拟AlSi10Mg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。
关键词：激光选区熔化；有限元；温度场；工艺参数中图分类号：TG113文献标志码：A文章编号：1001-2303（2018）08-0034-10 DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2018.08.07Numerical simulation of selective laser melting temperature field of AlSi10Mg powderDU Yang，QIAO Fengbin，GUO Lijie，LI Peng，ZHU Xiaogang（Shanghai Aerospace Equipments Manufacturer Co.，Ltd.，Shanghai200245，China）Abstract：Finite element software ANSYS is used to simulate the temperature field of the selective laser melting of AlSi10Mg powder. Considering the characteristics of the thermophysical property of the material and the laser energy absorption rate varying with temperature,the laser heat source is regarded as a three-dimensional Gaussian heat source for moving loading on the powder bed. During the loading process of the heat source，the conversion of the properties of the material from the powder state to the solid state is realized in real time.The effects of the laser power，scanning speed and scanning interval on the thermal behavior of the powder bed are studied.The results show that the maximum temperature，size and cooling rate of the molten pool increase as the laser power increases.The maximum temperature and size of the molten pool decrease as the scanning speed increases，however，the cooling rate of the molten pool increases as the scanning speed increases.The scanning interval has little effect on the maximum temperature，size and cooling rate of the molten pool，but too large scanning interval is likely to cause hole defects.Key words：selective laser melting；finite element；temperature field；technological parameters本文参考文献引用格式：杜洋，乔凤斌，郭立杰，等.AlSi10Mg粉末激光选区熔化温度场的数值模拟[J].电焊机，2018，48（08）：34-43.收稿日期:2018-04-04；修回日期:2018-06-23作者简介:杜洋（1993—），男，在读硕士，主要从事3D打印过程数值模拟及工艺参数优化方向的研究。
激光内送粉变姿态熔覆非水平熔池流场的数值模拟
激光内送粉变姿态熔覆非水平熔池流场的数值模拟陈海俊;朱刚贤;贺继宏;王丽芳【期刊名称】《表面技术》【年(卷),期】2024(53)9【摘要】目的提高激光内送粉变姿态熔覆层成形质量,对变姿态熔覆时非水平熔池流场随基板倾斜角的演变规律进行研究。
方法首先,利用FLUENT软件中离散相模型对喷嘴流场进行模拟,获取粉末频次的分布规律。
其次,采用流体体积法耦合熔化/凝固模型对熔池流场进行计算。
通过施加质量源项引入同步送粉,施加能量源项模拟激光热输入,选取姿态角为30°、60°、90°进行计算,对熔池流场及熔覆层界面进行追踪分析。
最后,基于激光内送粉熔覆工艺进行实验测定。
结果粉斑内粉末量呈“中间均匀,两端密集”的分布规律。
熔池流动为“双环流”分布特征,但流动方向受重力影响,产生偏转。
取3种姿态角计算时间同为0.3 s时,熔池中心处流体的偏转角分别为2°、4°、6°,并且随着倾斜角的增大,熔覆层高度分别增加了0.28%、0.83%、1.45%,熔覆层宽度减小了1.19%、1.28%、1.73%,熔覆层顶点偏移量增大到48.08、86.54、105.76μm。
最后结合实验测定,数值计算与实验结果一致。
结论Marangoni应力使得激光内送粉熔覆熔池流体产生由中心向边界流动的“双环流”分布特征,非水平熔池流动方向受重力影响产生偏转。
随着基板倾斜角增大,熔覆层截面高度增加、宽度降低、顶点偏移量增加。
为提高不便摆平非水平基面的激光内送粉变姿态熔覆再制造成形质量提供了指导。
【总页数】11页(P190-199)【作者】陈海俊;朱刚贤;贺继宏;王丽芳【作者单位】苏州大学机电工程学院;苏州大学工程训练中心【正文语种】中文【中图分类】TN249;TG665【相关文献】1.中空激光光内送粉熔覆技术的熔池流场与温度场模拟2.激光熔覆熔池二维准稳态流场及温度场的数值模拟3.送粉激光熔覆过程中熔覆轨迹及流场与温度场的数值模拟4.双线斑激光内送粉宽带熔覆温度场数值模拟与工艺研究5.激光熔覆熔池温度场及流场数值模拟研究进展因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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及热平衡计算； 曾大文等 M ) N 建立了非交错网格的二维 准稳态流场及温度场的数学模型， 在贴体座标下处理 复杂的气液边界， 计算出了已知熔覆层厚度情况下熔 覆层自由表面形状。 以上这些模型中， 对熔覆层表面 形状与厚度的计算或者依赖于经验， 或者进行了简化 处理， 对激光束与粉末流的相互作用则没有考虑。 本 文旨在建立较全面的描述送粉激光熔覆过程中最主 要物理现象， 如熔池中流动与传热、 光束与粉末流的
激光熔覆的二维模型， 确定了熔覆层高度和稀释率的 主要影响因素； C"+O#=, 等 M % N 用有限元法建立了激光熔 覆熔池流动及传热的二维模型， 并在假定熔覆层自由 表面始末 & 点位置已知的基础上， 迭代计算出了熔覆 层自由表面形状； P>=QR 等人 则依靠经验与理论分析 建立了熔覆层厚度及熔池形状的分析模型， 而没有涉
・ !!" ・ 量， 可表示为：
稀有金属材料与工程
!" 卷
"" " $ ! ’ (( ) !" # ! #$ "%# "# "$ "# " % & 式中 ! 为固液相变潜热， "% 和 "$ 分别为固相线温度 和液相线温度。 在激光照射表面上边界条件为激光热源和试样 与环境的对流和辐射换热： * $ % & ’ ( ) % " * "+ ’ ( $% + ’ " , "-!. (/ ) 0 &" ’ (" ) &其中激光热源的功率密度 $ % & ’ 按高斯分布： * &0 （& ） （ ! ） # !. " 234 ’ (! ) $ !/ /" 式中 & 为距激光束中心的距离， $ % & ’ 为 & 处的激光 * ’ "+ , "-!. (/ ) 0 1 # , 功率密度，) 为试样与环境的换热系数， 环境温度 "+ 为 "56 ， % 为发射率， $ 为 7829:; * <=$8>?:;; 常数， . 为激光功率， / 为激光有效半径。 在试样其余各边界， 试样与环境只存在对流及辐 射换热。 !" # 标志变量法计算熔覆层的表面形状及厚度 熔覆层的形成可以视为粉料源源不断进入熔池 和进入熔池后随基底的移动 " 个过程作用的结果。 定 义 ( 个标志变量 1 记录各单元的状态： 1 为 ( 表示熔 覆层单元， 1 为 & 表示空单元，1 介于 & 和 ( 之间表 示熔覆层表面单元；各单元的 1 值在每一时间步长 结束后在每一单元柱内自下而上更新一次， 得到新的 熔覆层表面形状。标志变量的求解遵从下面式子： （4 @ * 4 , （ 5 ’B・ 6B ） 12, ( !2 3 A） ( ( （12, !2， ’ (0 ) &） 12, !2 3 ?:3 2 ( !2 ( ! 2 （( ， 12, ） 1, 3 ?C; 式中 4@ 为当前 , 单元所在的单元柱的总质量， 4, A 为 当前 , 单元以下该柱中各单元质量之和， ’B 为熔覆 层密度， 6B 为当前单元体积。 每一时间步长结束时 4@ 的计算分为 " 步，先计 算由于试样移动以及熔池内对流引起的每一单元柱 总质量的改变， 再计算该时间段内由送粉进入每一柱 的粉末质量。试样移动引起的熔覆层形状变化， 即 1 的重新分布可用下面数学模型描述： &1 ( （ & 781 ）( （ & :81 ）3 ’ (5 ) & &2 &98 &98 利用上式计算所得的 1D ’ 2 , " 2 ) 值可以求出 " 2 时间后 每一柱单元的总质量 4;"：
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黄延禄等： 送粉激光熔覆过程中熔覆轨迹及流场与温度场的数值模拟
・ ""#・
（在此是树枝晶） 体通过多孔介质 所遇到的阻力， 是孔 （即液相体积分数） 隙率 的函数， 其值随着液相体积分 数的变化而变化，纯固相时 ,!%，纯液相时 ,!< ， 渗透系数与液相体积分数之间的关系根据 =/->*) 9 ?*@()A 方程定义为 0 B 2 ： &" 6 $!& , % ,（ % 8 # 9 &6 ） 式中 ,% 是与多孔介质形貌有关的常数，由经验确 定。式中第 8 项为试样移动引起的附加对流项， -( 为
式中 012 为自由表面切向速度， 系数，
C/ 为自由表面切向温度梯度， 23 和 2& 分别为 C2 & 法向和切向距离， 下标 3 和 & 分别表示自由表面法向
和切向。 "3 #3 8 能量守恒方程 以焓形式表示的能量守恒方程为 （ " !4 ）4 （ " !"(4 ）% "（ "/ ） ’ *4 $B& 5 "! "$( "$( "$( （ 6） 式中焓 4 可以分成显焓 和潜热 $ ’4 & 8 部分， 即 （B ） ， 并将潜热项 ’4 归入 以此式代入式 4 % 6 ’ ’4， 源项， 可以得到用显焓 6 表示的能量守恒方程： （ （ !"(6 ） " 5 "6 " !6 ）4 ! ） % （ ’ *6 $D& "! "$( "$( 7 "$( 上面式子中：5 和 7 分别为混合平均导热系数和混和 平均比热， *6 为总源项。 5 和 7 分别定义为： 5 5 &656 ’ &757
图# 熔覆过程示意图 FGH3 # I,J(>/KG, CG/H-/> *: KJ( ,6/CCG)H .-*,(77
试样在 $( 方向的移动速度； 第 " 项为温差引起的浮力 项， / 为温度， /-(: 为参考温度， !-(: 为参考温度下流体 密度， .( 为 $( 方向上的重力加速度。 采用固液相变统一模型， 固液边界无须施加边界
其中 56 和 57 分别是液相和固相的导热系数， 76 和 77 为液相和固相的比热， (6 和 (7 分别为液相和固相的 质量分数。总源项 *6 为 ［" （ !’4 ） ］ 4 "（ !"( ’4 ） *6 5 8 4 "! "$( ［ !（ ］ 4 " $ #% & ( 6 ’ ’4 ） "$ 式中第 # 项为进入熔池的粉末所含热量， 第 8 项为潜 热的非稳态项与对流项， 第 " 项为试样移动引起的热 量传输，包括显焓项与潜热项。 ’4 是与温度有关的
（ 2 ( !2） （ ’B1D 4;" 3 $ 6B ）
（ 时间内进入的粉末质量为 < ! 2 < 为进入该柱的粉 末的速率） ， 并有足够热量熔化粉末， 则该时间步长结 束时每一柱单元总质量为：
（ 2 ( !2） （ ’B1; ( < !2 4" 3 $ 6B ）
’ (- )
对任一柱内的任一 , 单元， 4A 按下式计算：
收稿日期：&--&H88H88
（):I78-%I ） 基金项目：国家自然科学基金 ； 西安交通大学科研基金及华中科技大学激光技术国家重点实验室基金资助 作者简介：黄延禄， 男， 博士研究生， 西安交通大学机械工程学院， 陕西 西安 78--9: ， 电话： 8:7& 年生， 8%8IG88))&:
万方数据
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稀有金属材料与工程
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送粉激光熔覆过程中熔覆轨迹及流场与 温度场的数值模拟
黄延禄， 邹德宁， 梁工英， 苏俊义
（西安交通大学， 陕西 西安 78--9: ） 摘 要： 提出了一种送粉激光熔覆中熔覆层表面形状及厚度的计算模型。 将熔覆过程中固相区、 两相区和液相区作为一连
相互作用以及熔覆层的形成等的三维数学模型， 并计
!
引
言
算熔覆轨迹的发展和整个热影响区的温度场变化。
由于激光熔覆是个快速熔凝的过程，各种参量及 整个热影响区的温度场变化难以实验测定， 使得数值 模拟方法在此领域蓬勃展开。 对送粉激光熔覆而言， 激光束与粉末流的相互作用以及熔覆层的表面形状 和厚度无疑对整个温度场有十分重要的影响 。 D##F=> M&N 等 曾假设激光熔覆自由表面为简单的圆弧， 建立了
M8 N
"
物理模型
送粉激光熔覆过程示意于图 8，激光束及送粉器
位置固定， 试样以恒定速度 ! 沿 " 方向移动。 送粉器 喷出的粉末流进入激光熔池， 当激光功率足以熔化基 底与粉末时就形成了稳定的熔覆层， 激光束与粉末流 在交互区内相互作用，一方面光束被部分消隐，另一 方面粉末被光束加热。 送粉激光熔覆中激光束和粉末流与基底的相互 作用比较复杂，影响因素繁多，为建立描述其整个过 程的数学模型， 本文作如下假设： 8）坐标原点位于光源中心，用准稳态模型进行 非稳态计算； &）粉末颗粒为球形； %）液态金属为不可压缩 (=S?"Q 流体，熔池内流 动为层流； 9）熔池内流动的驱动力为温差引起的浮力和表 面张力梯度， 且固相速度为零； ） ) 只有进入熔池的粉末才有可能成为熔覆层， 与熔池外固态表面相碰撞的粉末计入损耗。
续介质， 用非稳态固液相变统一模型来描述其流场与温度场， 并采用固定网格移动坐标来处理带移动热源的流动与传热问 题。 能量方程用显焓表示， 有关潜热的非稳态项与对流项均做为其源项处理。 用 2+;<=>? @ A==> 定理和米氏理论计算粉末流 通过 与激光光束的相互作用， 使模拟适用于送粉浓度较大的情形。数值模拟程序是在流体动力学软件 BCD0(3E4 基础上， 添加源项、 边界条件、 熔覆层轨迹计算以及激光束和粉末流相互作用等相应模块实现。对钢基底上熔覆钴基合金 4?=##F?= G 进行模拟所得到的计算结果与实验结果基本一致。 关键词：送粉； 激光熔覆； 数值模拟； 熔覆轨迹； 温度场 中图法分类号： 16&&8 文献标识码： / 文章编号：8--&H8I)J K &--% L -)H-%%-H-)