激光熔覆载气式同轴送粉三维气流流场的数值模拟
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
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.。
同轴送粉激光熔覆的粉末熔化过程建模与仿真
同轴送粉激光熔覆的粉末熔化过程建模与仿真
朱明;严瀚林;张宗智;杨骞;石玗;樊丁
【期刊名称】《焊接学报》
【年(卷),期】2024(45)5
【摘要】同轴送粉激光熔覆中,粉末与激光的交互作用会直接影响熔覆成形的精度与质量,红外摄像无法直接获得激光内粉末的熔化行为,因此通过分析粉末对热量的吸收情况,使用高速摄像系统采集粉末熔化的动态行为,并建立粉末熔化过程的动态解析模型,通过仿真分析激光功率对不同熔化阶段的影响,及粉末进入熔池时的温度特征.结果表明,高速摄像系统采集粉末在激光中的动态熔化行为中存在“固态→固液两相态→液态”3个典型熔化特征阶段,粉末熔化动态行为可以使用数学解析模型解析,而不同阶段的热物理行为具有粉末与激光热交互作用的动态解析模型,分析了激光功率、离焦量、载粉气流量对粉末熔化行为的影响,同时通过仿真分析不同激光功率对各个特征阶段持续时间的影响,预测粉末颗粒到达基材的温度分布,发现激光功率从100 W增加至1 500 W时,粉末进入熔池的温度呈非线性变化,温度从750℃增加至3 250℃.
【总页数】10页(P47-55)
【作者】朱明;严瀚林;张宗智;杨骞;石玗;樊丁
【作者单位】兰州理工大学;兰州职业技术学院
【正文语种】中文
【中图分类】TG456.7
【相关文献】
1.同轴送粉激光熔覆过程中粉光匹配影响因素及控制研究
2.基于UG的激光熔覆送粉器实体建模与运动仿真
3.激光熔覆中同轴送粉气体-粉末流数值模拟
4.送粉激光熔覆中送粉速率对激光束与粉末流相互作用的影响(英文)
5.同轴激光熔覆粉末的熔化行为表征与分析
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同轴载气送粉激光熔覆粉末流参数研究
同轴载气送粉激光熔覆粉末流参数研究同轴载气送粉激光熔覆技术是一种先进的制备方法，具有高效率、高质量、高可控性等优点，因此在加工领域得到了广泛的应用。
在使用该技术进行熔覆粉末流成形时，粉末流参数的选择对于熔覆质量的影响非常大。
本文将针对同轴载气送粉激光熔覆粉末流参数进行研究，从以下几个方面进行分析。
一、粉末流速度粉末流速度是影响熔覆质量的重要参数之一。
当粉末流速度过大时，会导致熔滴的飞溅和熔覆质量下降；当粉末流速度过小时，会导致熔池面积减小、熔覆质量下降。
因此，应根据熔覆材料的性质和设备的能力，选择合适的粉末流速度。
二、载气流量载气流量是指粉末颗粒在流动过程中所受到的空气流动的力量大小。
合适的载气流量可以保证熔覆粉末流形成正常，同时也可以将存在于熔合池中的杂质、气泡等物质排出，保证熔覆质量的提高。
过大或过小的载气流量都会影响熔覆质量，应选取合适的值。
三、喷嘴与底板的距离喷嘴和底板的距离也是影响熔覆质量的重要参数之一。
当喷嘴和底板的距离过大时，粉末流速度将变低，影响熔覆质量；当喷嘴和底板的距离过小时，容易导致熔滴飞溅，同样影响熔覆质量。
因此，喷嘴和底板的距离应根据熔覆材料的性质、熔覆质量要求和设备的能力，进行合理的选择。
四、粉末流角度和喷嘴半径粉末流角度和喷嘴半径也会影响熔覆质量。
当粉末流角度过大或喷嘴半径过小时，会导致粉末流速度过大，熔滴飞溅，熔覆质量下降；当粉末流角度过小或喷嘴半径过大时，会导致粉末流速度过小，熔覆层减薄，熔覆质量下降。
因此，粉末流角度和喷嘴半径也应进行合理的选择。
通过以上分析，我们可以得出同轴载气送粉激光熔覆的粉末流参数的研究，是保证熔覆质量和生产效率的必要措施。
因此，在使用该技术进行熔覆粉末流成形时，应根据熔覆材料的性质、熔覆质量要求和设备的能力，选择合适的粉末流速度、载气流量、喷嘴和底板的距离、粉末流角度和喷嘴半径。
光内送粉喷头空间变姿态粉气流场数值模拟
光内送粉喷头空间变姿态粉气流场数值模拟姜付兵;石世宏;傅戈雁【摘要】光内送粉喷头是一种新型的激光熔覆同轴送粉喷头,具有空心光束、单根粉束指向性好、无干涉、光粉气一体同轴等优势.为了分析喷头倾斜角度和外层准直气流速对粉束汇聚特性的影响,采用FLUENT软件进行模拟计算,对喷头在空间变姿态作业过程中单喷嘴出口粉束的汇聚特性进行了理论分析和实验验证.结果表明,喷嘴出口粉末质量浓度分布沿x方向服从高斯分布,对称轴上沿-y方向质量浓度先基本保持恒定,后逐渐下降为0kg/m3;随喷头倾斜角度的增大,粉末汇聚长度h不断减小,h变化范围为11mm～17mm,偏移量△x大致呈增大趋势,△x变化范围为0.0mm ～ 0.4mm;随外层准直气速度增加,汇聚长度h呈轻微上升趋势,h上升幅度为1mm～2mm,而偏移量△x在不同倾斜角度范围内呈现出不同变化趋势,△x变化幅度为0.05mm～0.15mm;实验数据与模拟结果变化趋势基本吻合.所建模型和模拟结果对于选择和优化实验工艺参量具有参考价值.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2015(039)002【总页数】7页(P145-151)【关键词】激光技术;气固两相流;数值模拟;光内同轴送粉【作者】姜付兵;石世宏;傅戈雁【作者单位】苏州大学机电工程学院,苏州215021;苏州大学机电工程学院,苏州215021;苏州大学机电工程学院,苏州215021【正文语种】中文【中图分类】TG156.99;TN249Key words:laser technique; gas-solid two-phase flow; numerical simulation; inside-beam coaxial powder feeding*通讯联系人。
E-mail：*******************.cn金属零构件空间修复和3维自由成形在工程与国防领域具有很好的应用前景[1]，而光粉耦合工艺是实现激光直接成形的关键技术之一，对送粉喷头喷嘴出口流场特性进行数值模拟分析，对于优化喷嘴结构和工艺参量具有重要意义。
激光立体成形粉末流输送的数值模拟研究_谭华
2 E C 1 EG k - C 2 Q g , k k
Gk = L t
9 u i 9 u i 9 uj + , 9x j 9x j 9x i
( 5)
G k 为由层流速度梯度而产生的湍流动能, R k 表示 k 方程的湍流 Prandt l 数, R E 表示 E方程的湍流 P randt l
t 可表 数 , C 1 , C 2 为常量, 而载粉气 流的湍流黏度 E 示为
Lin Xin
Huang Weidong
( St at e Key La bor a tor y of Solidif ica t ion Pr ocessing , Nor t hwest er n Poly techn ical Un iver sity ,
1
引
பைடு நூலகம்
言
激光立体成形过程中 , 粉末颗粒由载粉气流输 送进入激光熔池, 并经历熔化、 凝固的过程而形成最 终的沉积层。显然, 粉末流的输送特性对于沉积层 的形成以及几何性能有非 常重要的影响。一些研 究[ 7 ~ 12] 建立激光立体成形过程的数学 模型来研究 成形过程。例如 , T oy serkani 等
[ 1~ 6]
建立了同步送粉
。
激光熔覆过程的三维瞬态有限元模型, 研究脉冲激 光波形对熔覆层形成的影响 , 并预测熔覆层几何形
收稿日期 : 2011 - 05 - 12; 收到修改 稿日期 : 2011 - 06 - 13 基金项目 : 国家自然科学基金 ( 50871089) 、 中国博士 后科学基金 ( 20100470040) 和 凝固技术国 家重点实 验室基金 ( 06 - BZ 2010, SKL SP201102) 资助课题。 作者简介 : 谭 华 ( 1979 ) ) , 男 , 博士后 , 主要从事激光材料加工、 激光立体成形技术等 方面的研究。 E - mail: tanhua@ nwpu. edu. cn 1003003 -1
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。
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.。
激光熔覆中同轴送粉气体_粉末流数值模拟_董敢
Fig． 4 图4
Focus position of powder flow 不同送粉量粉末流焦点位置
Fig． 5 图5
Maximum concentration of powder flow at focus vs powder feed amount 不同送粉量粉末流焦点处浓度峰值
vs powder feed amount
3
3． 1
模拟与试验结果分析
送粉量对焦点的影响 图 2 所示是保护气和输送气流量均为 8 L / min， 送粉量为 2 g / s
时的粉末浓度分布云图。 由图可知， 气体携带粉末流出时产生较 明显的射流现象， 使粉末流产生发散。 粉末流离开喷嘴将在喷嘴 正下方汇聚成焦点。 粉末流从喷嘴出口运动到粉末流焦点处， 粉 3 末浓度逐渐增加， 并在焦点处达到最大 0． 324 kg / m 。 除去少部分 发生碰撞， 大量的粉末依然按照原有的运动方向通过焦点， 然后呈 ， ， 。 分散状 浓度逐渐降低 最后浓度稳定不变 图 3 所示分别为在相同工艺参数下 （ 保护气和输送气气流量 均为 8 L / min， 送粉量为 2 g / s ） ， 试验和模拟计算的粉末流焦点位 置。图 3 （ a） 采用单反相机拍摄气体粉末流， 尽管由于粉末颗粒快 速移动以及相机曝光时间等原因造成拍摄有拖尾现象， 但依然可
1954
强
激
光
与
粒
子
束
第 25 卷
Fig． 6
Maximum velocity of powder flow 图6 粉末流速度峰值
Fig． 7
Divergence angle of powder flow 图7 粉末流发散角
4
结
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]。
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。
激光熔覆中同轴送粉气体-粉末流数值模拟
激光熔覆中同轴送粉气体-粉末流数值模拟董敢;刘继常;李媛媛【期刊名称】《强激光与粒子束》【年(卷),期】2013(025)008【摘要】The discrete phase module in FLUENT is used to build the two-dimensional model of gas-powder flow.The im pacts of the amounts of shielding gas,transporting gas and fed powder on the concentration field and velocity field distribution,divergence angle and the focus of powder flow are discussed.The calculated results show that with increase in transporting gas flux,the powder velocity increases and the gas-powder flow's divergence angle decreases,and with increase in powder feed amount,the gas-powder flow's focus moves down a little and the powder concentration at this focus increases.At the same values of the process parameters as in the calculation,the camera is used to take photos of the powder flow distribution.It is shown that the experimental results agree well with the computational results.%应用FLUENT软件的离散相模块建立了激光熔覆中气体-粉末流的二维模型,研究了保护气和输送气流量及送粉量对粉末流浓度场和速度场的分布规律的影响以及对粉末流发散角和焦点的影响.计算结果表明:随着输送气流量的增大,粉末流速度增加,粉末流发散角逐渐减小；送粉量增加,焦点略微下移,焦点处粉末流浓度值增大.在相同的工艺参数下,使用单反相机拍摄粉末流分布,结果表明试验与计算结果基本吻合.【总页数】5页(P1951-1955)【作者】董敢;刘继常;李媛媛【作者单位】湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙410082;湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙410082;湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙410082【正文语种】中文【中图分类】TN249;TF124【相关文献】1.同轴送粉激光熔覆过程中粉光匹配影响因素及控制研究 [J], 刘喜明2.宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴的设计与数值模拟 [J], 郭翔宇;倪茂;刘华明;雷凯云;杜甫3.同轴送粉激光熔覆中激光透过率研究 [J], 申卫国;岑虎;雷剑波;刘立峰;王云山4.送粉激光熔覆中送粉速率对激光束与粉末流相互作用的影响(英文) [J], 黄延禄;李建国;梁工英;苏俊义5.激光制造中载气式同轴送粉粉末流场的数值模拟 [J], 靳晓曙;杨洗陈;冯立伟;王云山因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于edem的激光熔覆粉末利用率仿真分析
第１７卷第６期２０１９年１２月福建工程学院学报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＦｕｊｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶｏｌ.１７Ｎｏ.６Ｄｅｃ.２０１９ｄｏｉ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１６７２－４３４８.２０１９.０６.０１１基于ＥＤＥＭ的激光熔覆粉末利用率仿真分析李春雨(福建工程学院机械与汽车工程学院ꎬ福建福州３５０１１８)摘要:针对现有同轴载气激光熔覆粉末利用率低的不足ꎬ设计环式同轴载气激光熔覆头ꎬ利用离散单元法对熔覆粉末在粉流道内的运动进行仿真分析ꎬ研究熔覆头喷嘴结构参数对粉末汇聚和利用率的影响规律ꎮ结果发现ꎬ粉流道夹角对粉焦距和汇聚性能影响较大ꎬ当夹角为３６ʎ时ꎬ粉末颗粒分布较为集中ꎬ熔覆头的粉末利用率达到最高４８.５％ꎮ研究成果可为熔覆头结构设计提供理论依据ꎮ关键词:激光熔覆ꎻ离散单元法ꎻ熔覆头设计ꎻ粉末利用率ꎻＥＤＥＭ中图分类号:ＴＮ２４９ꎻＴＦ１２４文献标志码:Ａ㊀㊀㊀㊀㊀文章编号:１６７２－４３４８(２０１９)０６－０５６９－０６ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｎｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｉｏｏｆｌａｓｅｒｃｌａｄｄｉｎｇｐｏｗｄｅｒｂａｓｅｄｏｎＥＤＥＭＬＩＣｈｕｎｙｕ(ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＦｕｊｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＦｕｚｈｏｕ３５０１１８ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅｌｏｗｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｉｏｏｆｃｌａｄｄｉｎｇｐｏｗｄｅｒｏｆｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｃｏａｘｉａｌｇａｓ￣ｃａｒｒｙｉｎｇｌａｓｅｒｃｌａｄ￣ｄｉｎｇꎬａｒｉｎｇ￣ｔｙｐｅｃｏａｘｉａｌｃａｒｒｉｅｒｇａｓｌａｓｅｒｃｌａｄｄｉｎｇｈｅａｄｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄꎬａｎｄｔｈｅｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｗａｓｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅａｎｄａｎａｌｙｚｅｔｈｅｍｏｖｅｍｅｎｔｏｆｃｌａｄｄｉｎｇｐｏｗｄｅｒｉｎｔｈｅｐｏｗｄｅｒｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌ.Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｃｌａｄｄｉｎｇｈｅａｄ ｓｎｏｚｚｌｅｏｎｐｏｗｄｅｒｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎａｎｄｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｉｏｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ.Ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎａｎｇｌｅｏｆｔｈｅｐｏｗｄｅｒｃｈａｎｎｅｌｈａｓｇｒｅａｔｉｍｐａｃｔｏｎｔｈｅｆｏｃａｌｌｅｎｇｔｈａｎｄｔｈｅｃｏｎ￣ｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｏｗｄｅｒ.Ｗｈｅｎｔｈｅａｎｇｌｅｗａｓ３６ʎꎬｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｐｏｗｄｅｒｐａｒｔｉｃｌｅｓｗａｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄꎬａｎｄｔｈｅｐｏｗｄｅｒｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｅｏｆｔｈｅｃｌａｄｄｉｎｇｈｅａｄｒｅａｃｈｅｄａｍａｘｉｍｕｍｏｆ４８.５％.Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｐｒｏｖｉｄｅａｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｃｌａｄｄｉｎｇｈｅａｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｌａｓｅｒｃｌａｄｄｉｎｇꎻｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄꎻｃｌａｄｄｉｎｇｈｅａｄｄｅｓｉｇｎꎻｐｏｗｄｅｒｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｉｏꎻＥＤＥＭ引言激光熔覆是指在高能量密度激光束的辐照下熔覆粉体和基体表层迅速熔融ꎬ并形成稀释度低㊁与基体成冶金结合的表面涂层ꎬ是激光加工领域较为前沿的新兴技术ꎬ根据送粉工艺不同又细分为预置粉式和同轴送粉式激光熔覆[１]ꎮ通过选择不同熔覆材料可显著改善基体表层的耐磨㊁耐蚀㊁耐热㊁抗氧化及电特性等ꎬ从而达到表面改性或修复的目的ꎬ既满足了对材料表面特定性能的要求ꎬ又可节省大量的贵重元素[２－３]ꎮ送粉喷嘴是激光熔覆工艺装备关键部件之一ꎬ运用仿真技术研究不同喷嘴结构的粉末流场对于工艺现象理解ꎬ以及研究粉末利用率及熔覆效果具有关键作用[４]ꎮＨＰａｎ等[４]建立一种考虑颗粒形状效应的随机模型模拟整个熔覆过程ꎬ分析了激光熔覆头结构对粉末运动规律的影响ꎬ并通过实验验证了该随机型模型的有效性ꎮＹａｎ等[５]运用有限元建模分析方法研究适用于Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ粉末在建筑薄壁结构中的沉积特性ꎬ通过优化喷嘴形状ꎬ获取粉末的高利用率和激光能量需求的最小化之间的平衡ꎮＴａｋｅｍｕｒａ等[６]则收稿日期:２０１９－０８－１９基金项目:福建省教育厅项目(ＪＡ１４２０８ꎬＪＡ１４２１６)ꎮ作者简介:李春雨(１９８１－)ꎬ女ꎬ黑龙江齐齐哈尔人ꎬ工程师ꎬ硕士ꎬ研究方向:检测与测量ꎬ增材制造ꎮ福建工程学院学报第１７卷利用ＣＦＤ多相流仿真分析研究了粉末的利用率问题ꎬ仿真结果发现粉焦距短于激光束焦距㊁降低气体流速可以改善粉末汇聚ꎬ提高粉末利用率ꎮ申卫国和王宁等[７－８]分别运用仿真手段研究了同轴送粉时粉末流的汇聚特性与喷嘴的结构参数的关联性ꎮ以上研究多是基于宏观尺度的有限元或多相流场的建模分析ꎬ而本文则是希望通过将宏观连续的粉末流离散为一系列颗粒ꎬ从粉末颗粒尺度出发研究粉流在喷嘴内部的流动特性ꎮ离散单元法以其考虑材料微结构及处理碰撞方面的独特优势ꎬ在工程领域得到广泛的应用[９－１２]ꎮ本文采用颗粒离散元法对环式同轴式熔覆头喷嘴进行ＥＤＥＭ建模分析ꎬ研究结构参数㊁粉焦距㊁载气速度对于涂层粉末汇聚性能(粉斑直径㊁粉末速度)的影响规律ꎮ１㊀颗粒离散单元法建模离散单元法是将颗粒离散体看作有限离散元的组合ꎬ通过建模与仿真分析颗粒运动以及颗粒与颗粒之间应力的交互作用[９]ꎮ结合熔覆粉体特征ꎬ采用硬球模型的离散单元法ꎬ力学模型为Ｈｅｒｔｚ￣ＭＤ无滑移接触模型ꎬ忽略颗粒表面粘连ꎬ颗粒接触如图１所示ꎬ其法向力计算一般会采用半径分别为Ｒ１和Ｒ２的两球形颗粒发生了弹性接触ꎬ法向重叠量δｎ为:δｎ＝Ｒ１＋Ｒ２－ｒ１－ｒ２>０(１)式中Ｒ１和Ｒ２表示颗粒１和颗粒２的半径ꎻｒ１和ｒ２是两颗粒的球心位置矢量ꎮ图１㊀Ｈｅｒｔｚ理论中两球形颗粒弹性接触变形Ｆｉｇ.１㊀ＥｌａｓｔｉｃｃｏｎｔａｃｔｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｗｏｓｐｈｅｒｉｃａｌｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｎＨｅｒｔｚｔｈｅｏｒｙ由于产生弹性变形ꎬ两颗粒接触面为圆形ꎬ定义接接触面的半径ｒ∗ꎬ则ｒ∗可用式(２)进行计算:ｒ∗＝㊀δｎＲ∗(２)颗粒间法向力Ｆｎ可由式(３)求出[１０]:Ｆｎ＝４３Ｅ∗Ｒ(∗)１２δ３２(３)式(２)和式(３)中ꎬＲ∗和Ｅ∗分别为有效颗粒半径和有效弹性模量ꎮ１Ｒ∗＝１Ｒ１＋１Ｒ２ꎬ１Ｅ∗＝１－ｖ２１Ｅ１＋１－ｖ２２Ｅ２(４)式中ꎬＥｉ㊁ｖｉ分别为颗粒１和颗粒２的弹性模量和泊松比ꎮ设两颗粒间发生碰撞前的速度分别为Ｖ１㊁Ｖ２ꎬ发生碰撞时的法向单位矢量为ｎꎬ则相对速度的法向分量Ｖｒｅｌｎ可由式(５)求出:Ｖｒｅｌｎ＝(Ｖ１－Ｖ２) ｎ(５)则颗粒间的法向阻尼力Ｆｄｎ为[１３]Ｆｄｎ＝－２５６βＳｎｍ∗Ｖｒｅｌｎ(６)式中ｍ∗㊁β和Ｓｎ分别为等效颗粒质量㊁模型系数和法向刚度ꎬ可分别由下式计算[１３]:ｍ∗＝ｍ１ｍ２ｍ１＋ｍ２ꎬβ＝ｌｎｅ㊀ｌｎ２ｅ＋π２ꎬＳｎ＝２Ｅ∗Ｒ∗δｎ(７)式中ｅ为恢复系数ꎮ颗粒间的切向力Ｆｔ可由式(８)求出:Ｆｔ＝－Ｓｔδｔ(８)式中δｔ为切向重叠量ꎻＳｔ为切向刚度ꎬ可由式(９)求出[１４]:Ｓｔ＝８Ｇ∗Ｒ∗δｎ(９)式中Ｇ∗为等效剪切模量ꎬ可由式(１０)求出[１０]:Ｇ∗＝２－ｖ２１Ｇ１＋２－ｖ２２Ｇ２(１０)式中Ｇ１ꎬＧ２为颗粒的剪切模量ꎬ可由材料的弹性模量和泊松比运算而得:Ｇ１＝Ｅ１２１＋ｖ１()ꎬＧ２＝Ｅ２２１＋ｖ２()(１１)颗粒间的切向阻尼力Ｆｄｔ可由下式求出[１４]:Ｆｄｔ＝－２５６βＳｔｍ∗ｖｒｅｌｔ(１２)式中ｖｒｅｌｔ是切向相对速度ꎮ以上力学建模为后续仿真分析基础ꎬ模型建立后ꎬ只需在ＥＤＥＭ软件中设置相应参数即可获取颗粒的运动特性ꎮ０７５第６期李春雨:基于ＥＤＥＭ的激光熔覆粉末利用率仿真分析２㊀ＥＤＥＭ仿真环境设置ＥＤＥＭ是进行颗料力学建模与仿真的软件平台ꎬ主要由Ｃｒｅａｔｏｒ㊁Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ和Ａｎａｌｙｓｔ三部份构成ꎮＣｒｅａｔｏｒ是前处理工具ꎬ完成几何结构导入和颗粒模型建立等ꎮ如图２所示ꎬ将熔覆头三维模型导入ＥＤＥＭ中ꎬ设置中心位置ꎬ在熔覆头下端建立基体板料ꎬ设置为直线运动ꎮ同时ꎬ生成３个虚拟平面ꎬ用以生成颗粒ꎮ在仿真开始前ꎬ先要对环式载气同轴送粉喷嘴进行结构设计与分析ꎮ图２㊀熔覆头三维建模㊀Ｆｉｇ.２㊀３－Ｄｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｃｌａｄｄｉｎｇｈｅａｄ２.１㊀同轴送粉喷嘴结构环式载气同轴送粉喷嘴的工作原理如图３所示ꎬ其内部通道有冷却水通道㊁环形粉末通道㊁保护气体通道与激光光束通道ꎬ下部喷嘴具有冷却和送粉功能ꎻ喷嘴芯内孔的锥形孔为激光束通道ꎬ切向设计３个入粉口ꎬ粉末在载气作用下在环形送粉通道内充分分散ꎮ激光束的大部份能量汇聚于基体熔池区域ꎬ除用于热熔融ꎬ仍有部份以热辐射形式对外扩散ꎬ对喷嘴头的热作用很强烈ꎮ因此ꎬ粉末聚焦点和出粉口之间距离不宜过短ꎬ且喷嘴头应具有优良粉末汇聚性能ꎮ喷嘴头圆锥面与工件表面的距离为粉焦距为λꎻ喷嘴头圆锥面处孔径为φ＝４.７ｍｍꎬ孔中心线与喷嘴轴心线夹角为ａꎻ通过光斑直径与激光镜片焦距ꎬ算得激光束夹角ꎻ当粉末聚焦点和光束焦点在熔池处重合ꎬ误差控制在１ｍｍ的范围内ꎮ２.２㊀ＥＤＥＭ仿真参数选取颗粒和流道内壁之间的接触力采用式(６)－式(１２)建立的Ｈｅｒｔｚ－ＭＤ理论计算颗粒－颗粒间图３㊀载气同轴送粉喷嘴工作原理Ｆｉｇ.３㊀Ｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｃｏａｘｉａｌｇａｓ￣ｃａｒｒｙｉｎｇｐｏｗｄｅｒｆｅｅｄｉｎｇｎｏｚｚｌｅ的作用力ꎬ并假定壁面不会因为颗粒和壁面相互碰撞而移动ꎮ通过实验观察ꎬ熔覆粉末基本呈现规则球形[２]ꎬ假设接触力为理论状态ꎬ颗粒的属性可以直接计算获得ꎮ颗粒接触方法为网格法ꎬ计算得时间步长设置为５％~４０％ꎮ设置仿真时间步长为２０％ꎬ仿真时间为２ｓꎮ仿真环境材料属性与边界接触参数选取见表１和表２ꎮ表１㊀材料属性Ｔａｂ.１㊀Ｍａｔｅｒｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ材料泊松比剪切模量/Ｐａ密度/(ｋｇ ｍ－３)静电力Ｎｉ０.３１０７.９０Ｅ＋１０８５０００青铜０.３２０８.２０Ｅ＋１０９６２００Ｑ２３５Ａ０.２８８２.１０Ｅ＋１１７８６００表２㊀材料接触属性Ｔａｂ.２㊀Ｍａｔｅｒｉａｌｃｏｎｔａｃｔｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ相互关系恢复系数静摩擦系数动摩擦系数镍粉－镍粉０.４２０.３５０.２３镍粉－青铜０.５３０.６２０.４８镍粉－钢０.２１０.６３０.５３３㊀仿真结果与分析本文主要探究喷嘴结构参数对粉末汇聚性能的影响ꎬ因此ꎬ不考虑激光热能对颗料运动的影响ꎬ仿真时只需将喷嘴进行建模处理即可ꎮ同时ꎬ１７５福建工程学院学报第１７卷忽略粉末颗粒从送粉器被输送至熔覆头过程中的能量损失ꎮ３.１㊀颗粒速度仿真与分析由多次实验得知在激光行走速度为４ｍｍ/ｓꎬ激光功率为１８００Ｗꎬ送粉速率为３０ｇ/ｍｉｎ时ꎬ激光熔覆层品质较好[２]ꎮ设定重力加速度为９.８１ｍ/ｓ２ꎬ大气压为标准大气压ꎮ图４为３.５ｍ/ｓ的载气初速度下ꎬ颗粒的速度变化趋势曲线ꎮ图４㊀颗粒速度图Ｆｉｇ.４㊀Ｐａｒｔｉｃｌｅｖｅｌｏｃｉｔｙｄｉａｇｒａｍ由图４可知ꎬ颗粒在载气和重力的复合效应下ꎬ以一定加速度驱动速度提升ꎬ当颗粒第１次撞击到入粉孔内壁时ꎬ产生能量损失ꎬ当损失量大于颗粒受重力场施加的机械能时ꎬ颗粒做减速运动ꎬ这是颗粒的第１次减速ꎬ如图４所示ꎻ同时ꎬ后面加速运动的颗粒和之前减速的颗粒发生碰撞ꎬ由动量守恒定理知减速的颗粒将被加速ꎬ加速的颗粒被减速ꎮ由于颗粒碰撞是瞬态过程ꎬ在重力场的作用下ꎬ颗粒群仍会呈现加速运动趋势ꎬ即:颗粒从０.０３ｓ到１.４０ｓ左右发生持续加速状态ꎬ但后期出现速度不规则变化ꎮ当速度达到最大值２５.３ｍ/ｓ时ꎬ颗粒接触到基体表面并出现大幅度下降ꎬ到１.６０ｓ时ꎬ粒子停止运动ꎬ速度仿真结果分析与实验现象相符ꎮ图５为喷嘴行走速度为ｖ１＝４ｍ/ｓꎬ时间为ｔ＝２ｓ的颗粒堆积形态ꎬ粉末生成速率为ｖ２＝３０ｇ/ｍｉｎꎬ镍粉的密度为ｅ＝８５００ｋｇ/ｍ３ꎬ颗粒的半径设置为ｒ１＝０.０１ｍｍꎬ则粉末利用率ε可由下式进行计算[１５]:ε＝ｅˑｎˑｒ１３/(ｖ１ｔ)(１３)图５㊀颗粒堆积形态Ｆｉｇ.５㊀Ｐａｒｔｉｃｌｅｐａｃｋｉｎｇｓｔａｔｕｓ式中ｎ表示颗粒堆积数目ꎮ结合仿真统计结果可算得粉焦距为６ｍｍ时的粉末利用率为３３.９％ꎬ粉末在基体表面的堆积形态符合实际熔覆层的分布状态ꎬ如图５所示ꎮ但在实际工艺实施中ꎬ熔覆颗粒在高能束下会产生热粘结现象ꎬ即当颗粒从出粉孔飞散出去后ꎬ受到激光的影响ꎬ颗粒之间发生粘结ꎬ造成颗粒与基体表面的撞击能量损失增大ꎬ缓解了颗粒飞散ꎬ更多的颗粒将粘结成熔覆层ꎬ致使粉末利用率将提高１０％~１３％左右[１５]ꎮ因此ꎬ仿真结果与文献[４ꎬ１６]载气式同轴送粉喷嘴的粉末利用率可达４０％的结论一致ꎮ３.２㊀夹角ａ对粉末汇聚性能的影响分析如图３所示ꎬ送粉通道夹角ａ直接决定粉焦距ꎬ又同时影响粉斑大小ꎬａ取值不同粉焦距不同ꎬ实验时应适配不同激光焦距ꎮ因此ꎬ本文仅针对喷嘴夹角ａ进行仿真优化ꎮａ不应太小ꎬ影响到喷嘴芯的整体结构性ꎻａ太大ꎬ则使入粉环式通道过小ꎮ通过查阅文献与初步计算ａ取值范围在３０ʎ－３８ʎ较为合理[１５]ꎮ设置角度间隔为２ʎꎬ并分析不同粉焦距时粉末汇聚特性ꎬ仿真环境为:载气速度为１５ｍ/ｓꎬ离焦量为６ｍｍꎬ送粉速率为３０ｇ/ｍｉｎꎬ熔覆头行走速度为４ｍｍ/ｓꎮ粉斑大小的确定是利用比例法ꎬ观察仿真边界切面上粉斑所占切面面积的比例可计算出粉斑直径和气流汇聚焦距[１６]ꎮ图６为不同参数下喷嘴果颗粒的运动轨迹ꎬ由图６知ａ＝３６ʎ时ꎬ轨迹相对集中ꎮ根据仿真颗粒统计ꎬ可计算获得不同夹角ａ下的粉斑和粉焦距ꎬ见表３ꎮ仿真结果均与设计目标有所偏差ꎬ为了定量评价仿真结果ꎬ此处采用数值加权法分析夹角对汇聚性能的影响ꎮ２７５第６期李春雨:基于ＥＤＥＭ的激光熔覆粉末利用率仿真分析图６㊀不同夹角ａ时喷嘴颗粒的运动轨迹Ｆｉｇ.６㊀Ｍｏｖｅｍｅｎｔｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｏｆｎｏｚｚｌｅｐａｒｔｉｃｌｅｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎａｎｇｌｅｓａ表３㊀不同夹角ａ时熔覆头仿真获得的汇聚焦距和粉斑数值Ｔａｂ.３㊀Ｐｏｗｄｅｒｆｏｃａｌｌｅｎｇｔｈａｎｄｐｏｗｄｅｒｓｐｏｔｖａｌｕｅｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎａｎｇｌｅｓａ夹角ａ/(ʎ)气流汇聚焦距ｆ/ｍｍ粉斑ｄ/ｍｍ３０７.３３.９３２７.２３.５３４６.３３.４３６５.９３.１３８５.７３.３由于设计依据激光光源的光斑直径为３.２ｍｍꎬ光斑直径应大于粉末汇聚的粉斑直径是熔覆头设计的原则之一ꎬ以粉斑直径和光斑直径的外径差绝对值为指标ꎬ以Δｄ表示ꎮ设计的离焦量为６ｍｍꎬ在激光熔覆加工时ꎬ为让激光光斑与粉斑重合ꎬ分析以气流汇聚焦距和离焦量６ｍｍ的距离差绝对值为指标ꎬ用Δｆ表示ꎬ如表４所示ꎮ由于环式结构头的环形通道ꎬ激光加工时不会出现粉末提前熔化堵塞出粉口的现象ꎮ因此ꎬ粉末汇聚焦距指标是影响不大的试验指标ꎬ在综合评分时ꎬ设该权值为０.３ꎮ本次分析的重点是研究粉斑直径ꎬ因此设定该权值为０.７[１６]ꎮ综合评分越低ꎬ则说明熔覆头的汇聚性能越好ꎮ由表４的综合评分结果可知当ａ＝３６ʎ分值最小ꎬ为０.１ꎮ表４㊀仿真结果加权评分表Ｔａｂ.４㊀Ｗｅｉｇｈｔｅｄｓｃｏｒｅｓｆｏｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ试验号夹角ａ/(ʎ)仿真结果分析粉斑直径ｄ/ｍｍ气流汇聚焦距ｆ/ｍｍ试验指标粉斑直径Δｄ/３.２ｍｍ气流汇聚焦距Δｆ/６ｍｍ综合评分Δｄ∗０.７＋Δｆ∗０.３１３０３.９６.９０.７０.９０.７６２３２３.５６.５０.３０.５０.３６３３４３.４６.３０.２０.３０.２３４３６３.１５.９０.１０.１０.１０５３８３.３５.７０.１０.３０.１６３.３㊀粉焦距对粉末利用率的影响分析粉末利用率是评价熔覆头性能优良的关键参数之一ꎮ依据表３仿真结果知:在给定的粉流道夹角范围内ꎬ粉焦距在５~８ｍｍ范围内变化ꎮ为了扩大分析范围ꎬ粉焦距选取３~９ｍｍꎬ仿真环境与表３相同ꎬ可结合式(１３)粉末利用率的变化曲线ꎬ如图７所示ꎬ可以得到:在离焦量为６ｍｍ时ꎬ熔覆头粉末利用率较高ꎬ达到４８.５％ꎬ当送粉孔离工件高度为３ｍｍ和９ｍｍ时ꎬ粉末利用率较低ꎮ３７５福建工程学院学报第１７卷图７㊀粉末利用率图Ｆｉｇ.７㊀Ｐｏｗｄｅｒｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｉｏ４㊀总结本文以某型号激光光源为依据ꎬ设计了一种环式载气同轴送粉喷嘴ꎬ研究在不同夹角下送粉孔的对粉末汇聚特性及粉末利用率的影响ꎬ通过离散元力学建模与ＥＤＥＭ仿真分析获得的主要结果为:１)粉流道夹角越大ꎬ粉焦距越小ꎬ当夹角ａ＝３６ʎ时ꎬ此时喷嘴的粉焦距和粉斑大小与设计目标较为接近ꎬ汇聚性能最好ꎻ２)粉焦距与粉末利率呈现非线性关系ꎬ当粉焦距为６ｍ时ꎬ粉末利率最高ꎮ参考文献:[１]李方义ꎬ李振ꎬ王黎明ꎬ等.内燃机增材再制造修复技术综述[Ｊ].中国机械工程ꎬ２０１９ꎬ３０(９):１１１９－１１２７ꎬ１１３３. 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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
第)期 )月
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
M9N
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
宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴的设计与数值模拟
宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴的设计与数值模拟郭翔宇;倪茂;刘华明;雷凯云;杜甫【摘要】为了设计一种适用于大功率的宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴,采用FLUENT 软件中的离散相模型,对送粉喷嘴的送粉道在不同倾角和不同出口间隙条件下的粉末汇聚特性和浓度分布特性进行了研究.分析了其它条件不变时,外层保护气流速对粉末汇聚的影响,得到了较优的结构尺寸,并利用设计研制的宽带同轴送粉喷嘴装置,进行了送粉和熔覆实验.结果表明,宽带激光同轴送粉喷嘴的焦点浓度在汇聚中心的径向和轴向都近似服从高斯分布;随着倾角的增大,出口间隙对焦距的影响也越来越大,且出口间隙越小,焦距越大;当倾角为70°,出口间隙为3.5mm时粉末汇聚性较好,粉末利用率较高;在其它条件不变时,外层保护气体流速过大或过小均不利于粉末汇聚,当外层保护气体流速略小于载气速率时,送粉喷嘴的粉末汇聚特性最佳.表面熔覆质量达到了预期要求,验证了该结构的合理性.所设计的宽带同轴送粉喷嘴对后续宽带激光熔覆的研究与应用具有重要意义.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2018(042)003【总页数】7页(P362-368)【关键词】激光技术;宽带同轴送粉喷嘴;离散相模型;激光熔覆【作者】郭翔宇;倪茂;刘华明;雷凯云;杜甫【作者单位】武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室,武汉430070;武汉理工大学汽车零部件技术湖北省协同创新中心,武汉430070;武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室,武汉430070;武汉理工大学汽车零部件技术湖北省协同创新中心,武汉430070;武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室,武汉430070;武汉理工大学汽车零部件技术湖北省协同创新中心,武汉430070;武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室,武汉430070;武汉理工大学汽车零部件技术湖北省协同创新中心,武汉430070;中国北方车辆研究所底盘技术部,北京100072【正文语种】中文【中图分类】TG156.99引言激光熔覆技术是激光先进制造技术中最重要的支撑技术之一。
同轴送粉喷嘴气固两相流流场的数值模拟
同轴送粉喷嘴气固两相流流场的数值模拟张安峰;周志敏;李涤尘;卢秉恒【期刊名称】《西安交通大学学报》【年(卷),期】2008(042)009【摘要】在激光金属直接制造过程中,为获得较小特征尺寸和组织致密的熔覆零件,采用气固两相流理论对载气式同轴送粉喷嘴的内外流场进行了数值模拟,应用FLUENT软件中的离散相模型计算了粉末的流场浓度分布规律及汇聚特性.计算结果表明,同轴送粉喷嘴的焦点浓度在径向和轴向都近似服从高斯分布,在同轴送粉喷嘴锥角不变时,锥环间隙越小,粉末流场焦点处的浓度越大,聚焦半径和焦距越小,汇聚特性就越好.在同轴送粉喷嘴锥环间隙不变时,锥角过大或过小均不利于粉末汇聚,选择最佳锥角有利于获得最佳汇聚特性.在其他条件不变时,外层保护气体流速过大或过小也不利于粉末汇聚,当外层保护气体流速为6 m/s时,同轴送粉喷嘴粉末的汇聚特性最佳.因此,所建模型和模拟结果对同轴送粉喷嘴的设计和结构优化具有参考价值.【总页数】5页(P1169-1173)【作者】张安峰;周志敏;李涤尘;卢秉恒【作者单位】西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,710049,西安;西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,710049,西安;西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,710049,西安;西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,710049,西安【正文语种】中文【中图分类】TN248;TH16【相关文献】1.同轴送粉喷嘴保护气体流场研究 [J], 赵维义;顾蕴松;易德先;胡芳友2.激光熔覆载气式同轴送粉喷嘴关键参数的探究 [J], 刘谦;李占贤3.宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴的设计与数值模拟 [J], 郭翔宇;倪茂;刘华明;雷凯云;杜甫4.基于FLUENT干冰清洗喷嘴气固两相流场仿真研究 [J], 汪卢;雷泽勇;邓健;李玉文5.激光制造中载气式同轴送粉粉末流场的数值模拟 [J], 靳晓曙;杨洗陈;冯立伟;王云山因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
同轴送粉喷嘴粉末汇聚特性三维数值模拟
型模 拟 了工 艺参数 对 粉末 汇聚 浓度 分布 的 影响 。结 果表 明 ： 自由射 流 时 ， 末 汇 聚浓度 随着送 粉 量 在 粉 的 增加 而增 大 ． 着载 气速度 的增 大而明 显 降低 ． 护 气速 度 的增 大对 粉 末汇 聚 浓度影 响 不 明显 。在 随 保 受 阻射 流 时 ． 随着送 粉量 增加 粉末 汇聚 浓度 显著 增 大 ， 粉 末汇 聚点 位 置相 比 自由射 流 时 出现 少量上 且 移 ， 着载 气速度 增 大熔覆 点 处 的粉 末 浓度 显著 下 降 ， 护 气速 度 的增加 对 熔覆 点 处粉 末 浓度影 响较 随 保
中 图 分 类 号 ：Ｔ ４ ＴＨ１ Ｎ２ ９； ６ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ０ — ２ ６ ２ Ｕ ）５ ０ ５ — ５ ０ ７ ２ ７ （０ ０ — ８ ９ ０
３ ｎ Ｄ ｕｍ ｅ ｉａ ｉ ｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｏ ｘ ａ ｗｄ ｒ ｆ ｅ ｎ ｚ ｌ ｒｃ ｌｓｍ ｌ ｔｏ ｆ ｃ ａ ｉｌｐｏ ｅ ｅ ｄｉ ｇ ｎｏ ｚｅ ｐ ｗｄ ｒ ｃ ｎ ｅ ｇ ｎ ｅ ｃ ａ ａ ｔｒｓｉｓ ｏ ｅ ｏ ｖ ｒ ｅ ｃ ｈ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ
Ａｂｓｒ ｃ ： Ｉ ｔ ｅ ａ ｅ ｍ ｅａ ｄｒ ｃ ｍ ａ ｕ ａ ｔ ｒｎ ｔ ａ ｔ ｎ ｈ ｌｓ ｒ ｔ ｌ ｉｅ ｔ ｎ ｆ ｃｕ ｉ ｇ， ｇ ｓ—ｏ ｉ ｔ ｏ — ｈ ｓ ｆｏ ａ ｓｌ ｄ ｗ ｐ ａ ｅ ｌ ｗ ｔ ｅ ｒ ｉ ｃ ｎ ｉｅ ｅ ｔ ｈ ｏ ｙ ｓ ｏ ｓｄ ｒｄ ｏ
第４ ０卷 第 ５期
Ｖ ｏ ．０ １４ ＮＯ． ５
红 外 与 激 光 工 程
Ｉ ｆａ ｅ ｎ ｓｒＥ ｇｎ ｅｉ ｇ ｎｒ ｒｄ ａ ｄ Ｌａ ｅ ｎ ｉ ｅ ｒｎ
comsol软件文档资料集锦(八)
行算例分析,讨论空气波动效应及气囊隔振器相关参数对其机械阻抗特性的影
响,结果表明该分析方法合理可行。
7.大量程反射式气动传感器的研究.zip
综合查询文献资料,对反射式气动传感器已有的研究成果和存在的问题进行了 深入研究,运用理论研究、建模仿真和实验研究的方法,开展反射式气动传感 器的研究。基于有限元仿真的大量程反射式气动传感器的设计方法。基于流 体力学理论,建立了大量程反射式气动传感器流场的有限元模型。利用有限元 仿真软件COMSOL分析出气动参数和反射式气动传感器的结构参数对其灵敏度 的影响。根据仿真结果,设计了一种大量程反射式气动传感器。通过改变该传 感器的结构参数,进行了实验验证,结果显示,有限元软件COMSOL仿真设计方法 ,在大量程反射式气动传感器的设计中是有效的。根据仿真研究研制了一种反 射式气动传感器,并对其进行了标定实验。
根据Navier-Stokes方程,采用COMSOL Multiphysics软件进行了载气式同轴送
粉系统的三维气流流场数值模拟。结果显示熔覆层的存在会使其上方气流流 速减小、压强增大、相应的气流流量减小,并得到了气流汇聚点距喷嘴的距离 。
3.内外电导传感器两相流含率测量研究.zip 电导法测量是基于电学特性的两相流测量方法的一种,国内外对电导法测量气
Kagome网架和四面体网架是由正四面体构成的两种不同三维点阵结构。基于 这两种点阵结构,在结点处设置小球,构成研究对象:Kagome-小球点阵结构和 四面体-小球点阵结构。利用COMSOL Multiphysics有限元软件对其中应力波 的频散特性进行了讨论。
2.激光熔覆载气式同轴送粉三维气流流场的数值模拟
致伸缩致动器的磁滞特性和非线性进行深入研究和描述,并以此作为材料模型
激光内送粉变姿态熔覆非水平熔池流场的数值模拟
表面技术第53卷第9期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a，朱刚贤a*，贺继宏a，王丽芳b（苏州大学 a.机电工程学院 b.工程训练中心，江苏 苏州 215137）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、105.76 μm。
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。
关键词：激光熔覆；光内送粉；变姿态；熔池流场；数值模拟中图分类号：TN249；TG665 文献标志码：A 文章编号：1001-3660(2024)09-0190-10DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2024.09.018Numerical Simulation on Flow Field of Non-horizontalMolten Pool by Laser Cladding Based on Inside-beamPowder Feeding with Variable PostureCHEN Haijun a, ZHU Gangxian a*, HE Jihong a, WANG Lifang b(a. School of Mechanical and Electrical Engineering, b. Center of Engineering Training,Soochow University, Jiangsu Suzhou 215137, China)ABSTRACT: Laser cladding and laser remanufacturing technology is based on horizontal reference planes at present, however,收稿日期：2023-01-30；修订日期：2023-08-02Received：2023-01-30；Revised：2023-08-02基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目（202110285032）；江苏省大学生创新创业训练计划项目（202110285032Z）；苏州市科技计划项目（SYC2022143）；国家重点研发计划项目（2016YFB1100300）Fund：National College Student Innovation and Entrepreneurship Training Program Project (202110285032); Jiangsu Province College Student Innovation and Entrepreneurship Training Program Project (202110285032Z); The Sci-Tech Plan of Suzhou Municipal of China (SYC2022143); The National Key Research and Development Plan (2016YFB1100300)引文格式：陈海俊, 朱刚贤, 贺继宏, 等. 激光内送粉变姿态熔覆非水平熔池流场的数值模拟[J]. 表面技术, 2024, 53(9): 190-199.CHEN Haijun, ZHU Gangxian, HE Jihong, et al. Numerical Simulation on Flow Field of Non-horizontal Molten Pool by Laser Cladding Based on Inside-beam Powder Feeding with Variable Posture[J]. Surface Technology, 2024, 53(9): 190-199.*通信作者（Corresponding author）第53卷第9期陈海俊，等：激光内送粉变姿态熔覆非水平熔池流场的数值模拟·191·this way greatly limits its extensive application. The molten pool flow behavior of the laser cladding has a direct impact on the morphology and forming quality of the cladding layer. However, it is difficult to observe and study the flow behavior in the molten pool by experimental method due to the limitation of high temperature and instantaneous evolution of the molten pool.Consequently, the simulation analysis of the heat transfer, flow behavior and morphology evolution in the molten pool by numerical simulation technology is a research hotspot in laser cladding technology. In addition, the flow field distribution of the non-horizontal molten pool is still lack of systematic research with variable attitudes based on inside-beam powder feeding way by laser cladding. In order to improve the forming quality of cladding layers under variable attitudes based on inside-beam powder feeding, the flow field evolution rules of a non-horizontal molten pool with a substrate inclination angle were studied. In this paper, the discrete phase model based on FLUENT Software was adopted to compute the flow field of the nozzle and obtain the powder distribution rules. And then, the flow field of the molten pool was calculated based on the Volume of Fluid and Melting/Solidification Model. Attitude angles of 30°, 60° and 90° were chosen to compute the flow field of the non-horizontal molten pool, respectively. The flow field of the molten pool was tracked and the interfaces of the cladding layer were analyzed by applying the mass source item and the energy source item to simulate the process of synchronous powder feeding and laser thermal input. Finally, experimental measurements were carried out based on the inside-beam powder feeding cladding process.The results showed that the powder distribution in the powder spot was "even in the middle and dense at both ends". The flow field of the non-horizontal molten pool was characterized by "double annular flow" distribution, but the flow direction was deflected due to the influence of gravity. When the computation time of three attitude angles was 0.3 s, the deflection angles of the fluid at the center of the molten pool were 2°, 4°, and 6°, respectively. With the inclination angle increased, the height of the cladding layer increased by 0.28%, 0.83% and 1.45%, the width of the cladding layer decreased by 1.19%, 1.28% and 1.73%, and the vertex offsets of the cladding layer increased to 48.08 μm, 86.54 μm and 105.76 μm. Finally, the numerical calculations were consistent with the experimental results through the experimental determination. The Marangoni stress makes the fluid flow in the molten pool from the center to the boundary with a double-circle distribution characteristic. The flow direction of the non-horizontal molten pool is deflected by the influence of gravity. While the inclination angle increases, the height of the cladding layer increases, the width of the cladding layer decreases and the vertex offset of the cladding layer gradually increases.It provides guidance for improving the laser cladding and laser remanufacturing quality in the light of parts that are inconvenient to flatten the non-horizontal base surface by the inside-beam powder feeding way.KEY WORDS: laser cladding; inside-beam powder feeding; variable attitude; molten pool flow field; numerical simulation激光熔覆再制造是基于激光熔覆为主体手段的修复技术，它利用高能激光束将添覆材料与受损基体表面共同熔化/凝固，形成与基体呈冶金结合的表面涂层，以修复受损表面，可显著提升基体表面耐磨损、耐腐蚀、耐高温及抗氧化性能[1-3]，适用于高端装备关键易损件的严苛修复需求，能使之变废为宝，减少资源浪费。
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收稿日期 : 2009203223 ; 收到修改稿日期 : 2009204203 基金项目 : 科技部国际合作项目 (J G2J D22008001) ,浙江省自然科学基金 ( Y107489) 和浙江工业大学教改项目资助课题 。 作者简介 : 董辰辉 (1983 —) ,男 ,硕士研究生 ,主要从事激光熔覆中送粉过程的数值模拟方面的研究 。
第 37 卷 第 1 期 2010 年 1 月
中 国 激 光
CHIN ES E J OURNAL O F LAS ERS
文章编号 : 025827025 (2010) 0120261205
Vol. 37 ,No . 1 J anuary , 2010
激光熔覆载气式同轴送粉三维气流流场的数值模拟
COMSOL Multip hysics 所提供的应用模型可
以通用于所有形式的不可压缩流体 。
图 1 同轴送粉喷嘴的典型结构 Fig. 1 St ruct ure of coaxial powder feed head
3 数值计算模型
载气式同轴送粉过程中, 送粉的量较小 (5～25 g/ min) ,粉末的存在对气流流场的分布影响 很小 ,所以假设粉末在气流的影响下其空间流场分 布同气流是一样的 ,而主要目的就是对三维气流流 场进行数值模拟 。
Th ree Di me ns i o n al N u me rical Si m ul a t i on of Coa xi al P ow de r Feedi n g Flow wit h Ca r r yi ng Gas
Dong Che nhui1 ,2 Yao J ia nhua1 ,2 Hu Xiaodong1 ,2 Che n Zhijun1 ,2
4 数值模拟
载气式同轴送粉系统中 ,金属粉末通过 4 个进 气口由载气送入到送粉头中 ,并最终喷出至熔池 。 采用 COMSOL Multip hysics 软件的 Navier2Sto kes 3D 模型对送粉头的 3D 流场进行模拟 。
首先来建立送粉头的 3D 模型 。为了减小计算 量由左 右 对 称 性 建 立 了 如 图 2 所 示 的 送 粉 头 的 1/ 2 三维模型 。
2 Resea rch Ce n te r of L ase r Processi ng Tech nology a n d Engi nee r i ng , Zheji a ng U ni ve rsi t y of Tech nology , Ha ngzhou , Zheji a ng 310014 , Chi n a
2 送粉系统
同轴送粉喷嘴的典型结构如图 1 所示 。整个喷 嘴集成了焦距调节 、循环冷却 、粉末流道和激光束通 道等子结构 。在使用时 ,将同轴送粉喷嘴上部与激 光头固定在一起 ,完成 x , y 和 z 轴各方向的运动 , 激光束从喷嘴中心通过 ;从粉末分配器来的粉末/ 载 气流分为 4 束后从同轴送粉喷嘴的 4 个入口进入喷 嘴 ,沿着喷嘴下部设计好的流道 ,呈倒置圆锥状喷 出 ;通过喷嘴上部的焦距调节螺纹 ,可调整喷嘴与熔 池的距离 ,使从喷嘴喷出的粉末流恰好汇聚到熔池 里 ;此外 ,由于喷嘴距熔池较近 ,为了防止熔池热辐 射使喷嘴过热 ,喷嘴内置冷却水循环系统 。
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1期
董辰辉等 : 激光熔覆载气式同轴送粉三维气流流场的数值模拟
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较大 。
图 2 送粉头三维数值计算模型 Fig. 2 Three2dimensional numerical mode
广泛应用 。
采用 COMSOL Multip hysics 软件进行数值模 拟 。COMSOL Multip hysics 软件包含了不可压缩 流体 Navier2Sto kes 应用模型 , 采用 Navier2Sto kes 方程的广义形式来求解可变粘度问题 。该模型可以
用于计算流体的压强 P 和速度向量 ,另外它可以对 2D ,2D 轴对称和 3D 模型进行求解 。根据动量守 恒 、传输特性与速度梯度 , Navier2Sto kes 方程的广 义形式为
激光从上向下垂直照射 ,送粉头的移动方向就是 v 所示的方向 ,而图中的小长方体是激光熔覆过程中 已经沉积出的熔覆层。图 2 中沿送粉头中轴线每隔 1 mm设置了一个半径 2 mm 半圆形的小切面 ,用于后 处理中计算该范围内的流量积分 ,从而研究竖直方向 光斑范围内的流量分布以寻找气流的汇聚点 。
三维流场的分布同二维近似计算之间有很大差 别 ,所以对载气式同轴送粉送粉头的气流流场进行 三维数值模拟还是非常必要的 。本文应用流体力学 中的 Navier2Sto kes 方程对载气式同轴送粉送粉头 的气流流场进行了三维数值模拟 ,研究分析气流流 场浓度分布规律 ,对同轴送粉喷嘴到熔覆层的距离 参数的选择 、喷嘴设计和性能优化具有参考价值 。
董辰辉1 ,2 姚建华1 ,2 胡晓冬1 ,2 陈智君1 ,2
1 浙江工业大学机械制造及自动化教育部重点实验室 , 浙江 杭州 310014 2 浙江工业大学激光加工技术工程研究中心 , 浙江 杭州 310014
摘要 根据 Navier2Stokes 方程 ,采用 COMSOL Multip hysics 软件进行了载气式同轴送粉系统的三维气流流场数 值模拟 。结果显示熔覆层的存在会使其上方气流流速减小 、压强增大 、相应的气流流量减小 ,并得到了气流汇聚点 距喷嘴的距离 。 关键词 激光技术 ;同轴送粉 ;三维流场 ;数值模拟 ;Navier2Stokes 方程 ;喷嘴 中图分类号 TN249 ; TF124 文献标识码 A doi : 10. 3788/ CJL20103701. 0261
1 引 言
激光熔覆技术是采用高能激光束在金属表面熔 覆一层硬度高 、热稳定性好 、与基体形成冶金结合的 复合涂层的工艺 。载气式同轴送粉是实现激光熔覆 的关键技术之一 ,它主要依靠载气的动能把粉末均 匀 、稳定地输送出去 ,辅之以气体动力分散和运输 , 使粉末分散均匀 、运输流畅 ,且能够重点解决立体送 粉和合金粉末的长距离输送问题 。同轴送粉中粉末 流与激光束同轴输出 ,能够将粉末均匀分散成环形 , 再汇聚后送入聚பைடு நூலகம்的激光光束中 ,并很好地适应扫
of powder feed head
图 2 中坐标单位是毫米 ,而整个模型 z 方向长度 为 100 mm , x 方向长度为 100 mm , y 方向长度为 50 mm。喷 嘴 的 z 轴 坐 标 为 0 , 喷 嘴 的 内 径 为 8. 5 mm ,外径为 9. 5 mm ,喷头的汇聚角度为 22°,进 气口的直径为 4 mm ,每个进气口载气的平均流速为 3. 31 m/ s。
E2mail : dch_1209 @163. com 导师简介 : 姚建华 (1965 —) ,男 ,博士 ,教授 ,主要从事激光先进制造与加工技术等方面的研究 。E2mail : laser @zjut. edu. cn
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1 Key L abor a t or y of Mech a n ical Ma n uf act u re a n d A u t om a t ion , M u nis t r y of Ed uca t ion , Zhej i a ng U ni ve rsi t y of Tech nology , Ha ngzhou , Zheji a ng 310014 , Chi n a
A bs t r act The t hree2dime nsional incomp ressible Navie r2Stokes application mode of COMSOL Multip hysics sof tware is used for modeling and simulati ng t he coaxial p owde r feeding flow wit h car ryi ng gas in t his article . The dis t ributing of velocit y field and p ress ure of flow is s t udied. Numerical simulations s how t he cladding layer res ults in t he decrease of velocit y and flow of gas , and t he i ncrease of p ress ure . The dis tance betwee n t he p owde r head and t he conve rge nt p oint of gas is calculated. Key w o r ds lase r technique ; coaxial p owde r feeding ; t hree dime nsional flow ; numerical simulation ; Navie r2Stokes equation ; nozzle
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中 国 激 光
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分布 。Yang[3] 研究了激光熔覆中同轴送粉的汇聚 模型 。Zekovic 等[4] 对激光直接金属沉积中放射状 对称送粉头气粉流进行了数值模拟 。另外杨洗陈 等[5～7] 研究了激光制造中载气式同轴送粉粉末流场 的二维 (2D) 分布 。刘振侠等[8] 研究了送粉式激光 熔覆数值模型 。而同轴送粉的三维 (3D) 气流流场 的数值模拟目前少有研究 。
ρ5 u 5t
-
·[η( u + ( u) T ] +