Die auf das Laser-Auftragsschmelzbad wirkenden Kräfte werden kurz beschrieben, einschließlich Oberflächenspannung, viskoser Scherkraft, Schwerkraft und Schutzgasdruck, und der Bildungsmechanismus der Auftragsschicht wird kurz aus der Perspektive des Gewebewachstums und des Schmelzbadflusses analysiert. Gleichzeitig werden die Energieverteilungsgesetze und -gleichungen verschiedener Wärmequellenmodelle, die bei der Laser-Auftragssimulation verwendet werden, zusammengefasst, einschließlich Oberflächen-Gauß-Wärmequelle, Oberflächen-Ringwärmequelle, Gauß-Körperwärmequelle, ellipsoide Wärmequelle und kombinierte Körperwärmequelle. Auf dieser Grundlage werden die Forschungsfortschritte bei der numerischen Simulation des Temperaturfelds und des Strömungsfelds des Laserplattierung Schmelzbadforschung im In- und Ausland in den letzten Jahren wird klassifiziert und überprüft, und die Vor- und Nachteile verschiedener Wärmequellenmodelle werden analysiert. Die anwendbare Umgebung verschiedener Wärmequellen und die Verteilungsgesetze des erhaltenen Temperaturfelds und Strömungsfelds werden zusammengefasst. Darüber hinaus werden die Forschungsmethoden der freien Flüssigkeitsoberfläche des Schmelzbads zusammengefasst und die Überprüfungsmethoden der numerischen Simulationsmodelle des Temperaturfelds und Strömungsfelds zusammengefasst. Gleichzeitig werden die bei der numerischen Simulationsforschung des Laserbeschichtungsschmelzbads bestehenden Probleme unter den Gesichtspunkten numerischer Modelle und Randbedingungen zusammengefasst und schließlich die zukünftige Entwicklungsrichtung prognostiziert.

Laserplattieren ist ein neues Verfahren zur Oberflächenmodifizierung und -reparatur von Materialien. Dabei wird Plattierungsmaterial durch Streuen oder Zuführen von Pulver auf die Substratoberfläche aufgetragen und ein hochenergetischer Laserstrahl verwendet, um das Plattierungsschichtmaterial schnell zu schmelzen und eine Plattierungsschicht mit guter metallurgischer Bindung auf der Substratoberfläche zu bilden, wodurch die Zusammensetzung der Substratoberfläche verändert und die Oberflächeneigenschaften des Materials verbessert werden [1]. Während des Laserplattierungsprozesses ist das Schmelzbad instabil und wird durch Marangoni-Strömung, Pulvereinspritzung, Pulverzufuhr, Turbulenzen im Schutzgas und variable Verarbeitungsparameter gestört [2]. Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass die durch die Oberflächenspannung angetriebene Marangoni-Kraft einen wichtigen Einfluss auf die Strömung des Schmelzbads hat [3-4], die auch ein Schlüsselfaktor bei der Bestimmung der Morphologie und Verdünnung der Plattierungsschicht ist. Das Fließverhalten im Schmelzbad hat einen direkten Einfluss auf die Entwicklung der Materialstruktur. Die Fluiddynamik und die geometrische Entwicklung des flüssigen Schmelzbads stehen in direktem Zusammenhang mit den mechanischen Eigenschaften des additiven Fertigungsmaterials. Da sich das Schmelzbad in extrem kurzer Zeit bildet und die Größe des Schmelzbades gering ist, ist es während des Experiments nahezu unmöglich, die momentane Entwicklung des Schmelzbades in Echtzeit genau zu überwachen. Deshalb ist mit der Entwicklung der Computertechnologie die numerische Simulation des dynamischen Fließverhaltens im Schmelzbad durch Finite-Elemente-Simulation zum Mainstream geworden. Bei der numerischen Simulation von Schmelzbädern beim Laserauftragschweißen ist ein geeignetes Wärmequellenmodell der Schlüssel zum Erhalt genauer numerischer Simulationsergebnisse. Im Allgemeinen wird das entsprechende Wärmequellenmodell entsprechend der Laserwärmequelle erstellt, die für die tatsächlichen Arbeitsbedingungen erforderlich ist. Die Extinktionslänge des Materials hängt hauptsächlich vom Absorptionskoeffizienten des Materials für eine bestimmte Laserwellenlänge ab. Entsprechend der Extinktionslänge des Materials für den Laser kann das Wärmequellenmodell beim Laserauftragschweißen in Oberflächenwärmequellen und Körperwärmequellen unterteilt werden. Wenn der Laser auf die Oberfläche des Materials einwirkt, fällt die Laserenergie nach einer kurzen Übertragungsdistanz auf Null ab. Man kann davon ausgehen, dass die Energie vollständig an der Oberfläche des Materials absorbiert wird, und die Absorption der Laserenergie durch das Matrixmaterial kann als Oberflächenabsorption bezeichnet werden. Wenn die Transmission tief ist und sogar die Materialdicke übersteigt, spricht man von Körperabsorption [0].

In diesem Artikel wird zunächst kurz der Mechanismus der Bildung von Schmelzbädern beim Laserauftragschweißen beschrieben. Anschließend werden die Forschungsfortschritte im Bereich der numerischen Simulation von Schmelzbädern beim Laserauftragschweißen unter Verwendung mehrerer weit verbreiteter Wärmequellenmodelle klassifiziert und überprüft, der Forschungsstand im Bereich der numerischen Simulation von Temperatur- und Strömungsfeldern von Schmelzbädern unter verschiedenen Wärmequellen zusammengefasst und schließlich ein Ausblick auf das Problem der Schmelzbadsimulation beim Laserauftragschweißen gegeben.

1 Entstehungsmechanismus des Laser-Cladding-Schmelzbades

Während des Laserplattierungsprozesses ist die Energiedichte der Lasereingabe hoch. Wärmeleitung und Konvektion steuern die physikalische Entwicklung des Schmelzbads und bestimmen direkt das Temperaturfeld und die Strömungsfeldverteilung im Schmelzbad. Das Laserplattierungsschmelzbad kann in sehr kurzer Zeit ein Gleichgewicht erreichen, wobei ein großer Temperaturgradient und eine schnelle zyklische Konvektion auftreten. Der fokussierte Laserstrahl wird auf das Metallsubstrat gestrahlt, die Substrattemperatur steigt und es schmilzt zu einem Schmelzbad. Die Düse sprüht das Metallpulver gleichzeitig in das Schmelzbad. Das flüssige Metall im Schmelzbad konvektiert unter der Einwirkung der Marangoni-Spannung. Die Temperatur im Schmelzbad wird allmählich gleichmäßiger. Die Schmelze fließt zum Rand des Schmelzbads, erreicht die Oberfläche des Schmelzbads und erstarrt zu einer Plattierungsschicht. Song et al. [6] analysierten die Bildung des Schmelzbads, das interne Konvektionsmuster und das Erstarrungsverhalten der Plattierungsschicht.

Die Kräfte im Schmelzbad sind komplex. Die Hauptantriebskraft für den Flüssigkeitsfluss im Schmelzbad ist die Marangoni-Strömung, die durch das Gleichgewicht zwischen Auftrieb und Oberflächenspannungsgradient sowie viskoser Scherkraft erzeugt wird [7]. Shi Jianjun [8] analysierte die dreidimensionale Kraft des Schmelzbads. Die Kräfteanalyse des Schmelzbads ist in Abbildung 1 dargestellt und umfasst hauptsächlich die Oberflächenspannung Fγ, die viskose Scherkraft Fμ, die Schwerkraft G und den Schutzgasdruck Fp, wobei θ der Substratablenkwinkel ist. Unter der kombinierten Wirkung von Oberflächenspannung, Schwerkraft, viskoser Scherkraft und Schutzgasdruck bildet das geschmolzene Metall ein dynamisch ausgeglichenes Metallschmelzbad. Unter diesen hat die Oberflächenspannung den größten Einfluss auf das Schmelzbad, und der Flüssigkeitsfluss im Schmelzbad wird hauptsächlich durch die von der Oberflächenspannung angetriebene Marangoni-Konvektion angetrieben.

2 Forschungsfortschritt des Wärmequellenmodells zur numerischen Simulation des Laserauftragschweißens

2.1 Oberflächen-Gaußsche Wärmequelle

Derzeit verwenden die meisten numerischen Simulationen des Laserauftragschweißens ein Gaußsches Wärmequellenmodell, wie in Abbildung 2 dargestellt. Die Laserenergie ist normal im Raum verteilt, wobei sie in der Mitte stärker und am Rand schwächer ist, was dem tatsächlichen Verarbeitungsprozess entspricht. Die Energieverteilung in der Tiefenrichtung des Schmelzbads wird jedoch ignoriert, sodass es für Arbeitsbedingungen mit einem tieferen Schmelzbad nicht geeignet ist.

Der Ausdruck der Wärmestromdichtegleichung lautet: Siehe Formeln (1) und (2) in der Abbildung. Dabei ist: q(r) der Oberflächenwärmestrom bei Radius r, W/m2; R ist der Abstand vom Mittelpunkt des Flecks, m; c ist der Wärmestromkonzentrationskoeffizient, m2; qm ist der maximale Wärmestrom im Zentrum der Wärmequelle, W/m2; P ist die Laserleistung, W; η ist die Lasernutzungsrate.

Eine Wärmequelle mit gaußscher Oberfläche eignet sich für Verarbeitungsbedingungen mit geringer Breite und Tiefe des Schmelzbads sowie geringer Mantelschichtdicke. Für die numerische Simulation des Temperaturfelds des Schmelzbads verwendeten Wang Zhijian et al. [10] eine Wärmequelle mit gaußscher Oberfläche, um den Erstarrungsprozess eines einschichtigen Laserschmelzbads der Titanlegierung TC4 in einem Durchgang numerisch zu simulieren. Die Studie ergab, dass beim Lasermantelschweißen mit einem Durchgang aufgrund der schnellen Wärmeübertragung am Heck die Wärme am vorderen Ende des Schmelzbads stärker konzentriert ist als am hinteren Ende und die Schmelztiefe größer ist. Mit zunehmender Laserleistung nehmen die Schmelztiefe des Schmelzbads und der Bereich der Wärmeeinflusszone aufgrund der erhöhten Energiezufuhr allmählich zu. Pant et al. [11] erstellten ein Schmelzbadmischungsmodell auf Grundlage der Methode der finiten Elemente und untersuchten das Wärmeübertragungsverhalten des Schmelzbads während des Laserauftragsschmelzens. Die Ergebnisse zeigen, dass das Schmelzbad an der Vorderseite elliptisch und kometenförmig mit gestrecktem Schweif ist. Die Breite des Schmelzbades vergrößert sich mit zunehmender Laserleistung (siehe Abbildung 3). Die Abkühlrate erhöht sich mit zunehmender Scangeschwindigkeit, und eine Erhöhung der Laserleistung erhöht den Temperaturgradienten im Schmelzbad und die Abkühlrate erhöht sich entsprechend.

Darüber hinaus haben einige Wissenschaftler die dreidimensionale Morphologiesimulation des Schmelzbades unter einer gaußschen Oberflächenwärmequelle untersucht. Fallah et al. [12] schlugen eine transiente Simulation mit einem Finite-Elemente-Modell vor, um die Größe und Morphologieentwicklung des Schmelzbades während der Laserpulverabscheidung vorherzusagen. Die Ergebnisse zeigten, dass das simulierte vorhergesagte Schmelzbadprofil dem Experiment sehr nahe kam.
Es wurde jedoch keine spezifische Analyse des Temperatur- und Strömungsfelds des Schmelzbades durchgeführt. Gao et al. [13] erstellten ein dreidimensionales numerisches Vorhersagemodell für die Eindurchgangsverarbeitung beim Laserauftragschweißen. Unter Verwendung einer Wärmequelle mit Gaußscher Verteilung und basierend auf der Methode der Geburts- und Todeseinheiten muss die geometrische Form der Mantelschicht nicht vorab festgelegt werden. Das vorübergehende Temperaturfeld und die geometrische Struktur der Mantelschicht werden gleichzeitig berechnet. Die erhaltene Mantelform steht in guter Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen, wie in Abbildung 4 dargestellt. Darüber hinaus analysierten sie auch den Einfluss der Prozessparameter auf das Temperaturfeld und die geometrische Form der Mantelschicht.

Einige Wissenschaftler legen die dreidimensionale Form der Mantelschicht im Voraus fest, wenn sie eine gaußsche Oberflächenwärmequelle verwenden, um das Strömungsfeld des Schmelzbads zu simulieren. Liu Han et al. [14] erstellten ein dreidimensionales Modell basierend auf der tatsächlichen Kontur der Mantelschichtgröße in einer numerischen Simulationsstudie des Temperaturfelds und des Spannungsfelds im dreidimensionalen Formungsprozess der Laserabscheidung. Auf dieser Grundlage wurde ein Finite-Elemente-Modell des Schmelzbads bei der synchronen Laserabscheidung von Seidenpulver erstellt und das Verteilungsgesetz des Strömungsfelds des Schmelzbads ermittelt. Auf dem Querschnitt des Schmelzbads bilden sich zwei symmetrisch verteilte Zirkulationen, und es werden zwei radiale Zirkulationen erzeugt, eine starke vorne und eine schwache hinten. Die Flüssigkeitsverteilung auf der oberen Oberfläche des Schmelzbads zeigt ein Diffusionsgesetz von der Mitte zum Rand. Li et al. [15] erstellten ein Mehrfeld-Kopplungsmodell des Scheibenlaser-Mantelprozesses basierend auf der COMSOL-Software und berechneten die thermischen physikalischen Eigenschaften des Materials mithilfe der CALPHAD-Methode. Mithilfe einer gaußschen Oberflächenwärmequelle wurden die Wechselwirkung zwischen dem Laserstrahl und dem Pulver sowie die Spannungsbedingungen im Schmelzbad umfassend berücksichtigt und das Änderungsgesetz des Temperaturfelds und des Strömungsfelds während des Scheibenlaser-Beschichtungsprozesses ermittelt. Das Schmelzbad ist ellipsoidisch und die höchste Temperatur tritt im hinteren Teil der Mitte des Schmelzbads auf. Im frühen Stadium des Beschichtens ist die Strömungsrate des Schmelzbads gering und die Wärmeleitung spielt eine wichtige Rolle bei der Energieübertragung des Schmelzbads. Im Verlauf des Beschichtungsprozesses beschleunigt sich die Strömungsrate des geschmolzenen Metalls im Schmelzbad und die Wärmekonvektion spielt zu diesem Zeitpunkt eine wichtige Rolle, wie in den Abbildungen 5 und 6 dargestellt.

2.2 Oberflächenringförmige Wärmequelle

Die Oberflächenringwärmequelle ist ein Wärmequellenmodell, das für die numerische Simulation des Hohlringlaserauftragschweißens einzigartig ist. Es basiert auf dem neuen Hohlringlaserauftragschweißverfahren „Hohlstrahl und Pulverzufuhr im Strahl“, das einzigartige Vorteile gegenüber dem herkömmlichen „Festkörperlaser“-Auftragschweißen bietet. Sein Grundprinzip besteht darin, den Festkörperstrahl durch das Strahlumwandlungssystem [16-17] in einen Hohlringstrahl umzuwandeln, sodass sich der Konzentrationsbereich der Energieverteilung von der Mitte zum äußeren Rand ändert (wie in Abbildung 7 dargestellt), wodurch das Phänomen des unvollständigen Schmelzens am Rand des Schmelzkanals, das durch das Festkörperlaserauftragschweißen mit Gaußscher Verteilung verursacht wird, beseitigt und der Nachteil der schlechten metallurgischen Bindung verbessert werden kann [18].

Die Energieverteilung in seinem ringförmigen Bereich ähnelt ebenfalls einer Gauß-Verteilung, und die Energieverteilungsfunktion lautet: Siehe Formel (3) in der Abbildung. Dabei ist: R0 der Außendurchmesser des Lasers an der Brennpunktposition in mm; z ist der Defokus in mm; φ ist der Winkel zwischen dem hohlen Laserstrahl und der horizontalen Richtung; ξ ist der Koeffizient der Energiespitzenposition.

Tian Meiling et al. [18] simulierten das Temperaturfeld des ringförmigen hohlen Laserschmelzbads mit der Finite-Elemente-Software ANSYS und führten eine theoretische Analyse der dreidimensionalen Strömungsfeldverteilung durch. Das Strömungsfeld des hohlen Laserplattierungsschmelzbads zeigte eine symmetrische Vierring-Strömungsverteilung, wie in Abbildung 8 dargestellt. Shi Gaolian [20] simulierte das vorübergehende Temperaturfeld des Schmelzbads einer 45-Stahlprobenplattierungslegierung mit der Finite-Elemente-Software ANSYS basierend auf dem Modell einer ringförmigen Hohlwärmequelle und ermittelte das Entwicklungsgesetz des Temperaturfelds des hohlen Laserplattierungsschmelzbads. Aufgrund des Wärmestaueffekts während des Plattierungsprozesses steigt die Temperatur im Schmelzbad mit zunehmender Scanzeit und -höhe allmählich an. Form, Position und Energiedichteverteilung des Schmelzbads sowie die Qualität des geformten Teils ändern sich erheblich mit der Änderung des Arbeitszyklus. Li Guangqi et al. [313] simulierte die Belastung des Hohlringlasers auf Basis der ANSYS-Software unter Verwendung der APDL-Sprache in Kombination mit der Geburts-Todes-Einheitenmethode und ermittelte das Verteilungsgesetz des Temperaturfelds der Mantelschicht. Die Gesamtverteilung des Temperaturfelds während des Mantelprozesses war „kometenförmig“. Im Anfangsstadium des Scannens zeigte der Fleck eine vollständige Ringform mit derselben theoretischen Energieverteilung. Im Verlauf des Scanprozesses bewegte sich der Hochtemperaturbereich insgesamt nach hinten und entwickelte sich allmählich von einer Ringform zu einer Sattelform, wie in Abbildung 21 gezeigt. Dies bestätigt die Eigenschaften der Hohlringlaserenergie „niedrig in der Mitte und hoch am Rand“. Darüber hinaus zeigte die Oberflächenschicht des Temperaturfelds der Mantelschicht eine „tiefe Talform“ mit hohen Werten auf beiden Seiten und niedrigen Werten in der Mitte, und in Tiefenrichtung der Mantelschicht nahm die Temperatur mit zunehmender Tiefe allmählich ab, wie in Abbildung 9 gezeigt.

2.3 Gaußsche Körperwärmequelle

Beim eigentlichen Laserauftragschweißen bewegt sich der Laserstrahl mit einer bestimmten Geschwindigkeit und die Energieverteilung ist nicht gleichmäßig. Insbesondere die Energieverteilung der Lichtquelle senkrecht zur Scanrichtung ist sehr unterschiedlich und das Modell der Oberflächenwärmequelle kann nicht in das Schmelzbad eindringen. Daher entstand die Körperwärmequelle. Die Laserenergie der Körperwärmequelle wird nicht nur auf der Oberfläche der Pulverschicht abgelagert, sondern kann auch in das Innere der Auftragungsschicht eindringen, wodurch die Berechnungsgenauigkeit des vorübergehenden Temperaturfelds oder Strömungsfelds des Schmelzbads verbessert wird [22]. Einige Wissenschaftler haben auf Grundlage des Modells der Gaußschen Oberflächenwärmequelle eine rotierende Gaußsche Körperwärmequelle entwickelt, wie in Abbildung 11 dargestellt. Der rotierende Gaußsche Oberflächenkörper wird durch Drehen der Gaußschen Kurve um ihre Symmetrieachse gebildet. Unter der Annahme, dass die Wärmequellenenergie vollständig im Inneren dieses Oberflächenkörpers verteilt ist, weist die Wärmestromdichte im Querschnitt eine Gauß-Verteilung auf.

Die Energieverteilungsfunktion lautet: siehe Formeln (4) und (5) in der Abbildung. Dabei ist: e die natürliche Basis; R0 der Radius der Wärmequellenöffnung; H die Wärmequellenhöhe; Q die Wärmequellenleistung.

Die Gaußsche Wärmequelle ist das am häufigsten verwendete Wärmequellenmodell für die numerische Simulation von Schmelzbädern beim Laserauftragschweißen. Zhang Kerong et al. [24] simulierten den Übergangsprozess des Lasertiefschmelzschweißens eines Schlüssellochs aus einer Titanlegierung TC4 numerisch auf Grundlage des rotierenden Gaußschen Volumenwärmequellenmodells und analysierten ferner in Kombination mit Experimenten den Einfluss verschiedener Prozessparameter auf die Morphologie des Schlüssellochs. Die Untersuchung ergab, dass mit zunehmender Laserenergiedichte oder Laserleistung oder geringerer Punktdurchmesser die Tiefe des Schlüssellochs zunimmt und es größer wird. Der Punktdurchmesser ist der Prozessparameter mit dem größten Einfluss auf die Morphologie des Schlüssellochs. Sun et al. [25] simulierten die Pulverpartikel der gerichteten Laserenergieabscheidung auf Grundlage einer Fluent-Software unter Verwendung eines diskreten Phasenmodells und analysierten in Kombination mit dem Gaußschen Wärmequellenmodell die Morphologie der Pulverabscheidungsschicht und die Verteilung von Temperatur- und Geschwindigkeitsfeldern Die Ergebnisse zeigen, dass bei der Hochgeschwindigkeits-Direktabscheidung mit Laserenergie die Abwärtsströmungsgeschwindigkeit im Pulverwirkungsbereich aufgrund des durch die Pulverzufuhr verursachten Drucks dominiert, wie in Abbildung 12 dargestellt.

In der numerischen Simulation der Morphologie eines Schmelzbades auf Grundlage einer Gaußschen Wärmequelle erstellten Chai et al. [26] ein numerisches Modell für das Laserplattieren eines geneigten Substrats auf Grundlage der Methode des Zellularautomaten und simulierten den Einfluss unterschiedlicher Neigungswinkel auf die relative Querschnittsfläche, Breite, Höhe und den Scheitelpunktversatz der Mantelschicht, wie in Abbildung 13 dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass mit zunehmendem Neigungswinkel des Substrats die relative Querschnittsfläche zunächst zunimmt, dann abnimmt und dann dazu neigt, stabil zu bleiben; die Breite der Mantelschicht nimmt mit zunehmendem Neigungswinkel zu und die Höhe nimmt zunächst zu und dann ab; mit zunehmendem Neigungswinkel des Substrats wird die Schwerkraftkomponente der Mantelschicht immer größer und der Scheitelpunktversatz nimmt allmählich zu.

2.4 Ellipsoidale Wärmequelle

Die Energieverteilung im Schmelzbad beim Laserauftragschweißen ist häufig kein dreidimensionaler Gaußscher Rotationskörper. Um die Größe und Form des Schmelzbads genauer zu simulieren, wird eine Wärmequelle mit ellipsoidem Verteilungskörper vorgeschlagen. Es gibt zwei Arten von ellipsoiden Wärmequellen: eine einzelne ellipsoide Wärmequelle mit Vorder- und Rückseitensymmetrie und eine doppelte ellipsoide Wärmequelle mit unterschiedlicher Energieverteilung von vorne nach hinten. Früher schlugen einige Wissenschaftler eine halbkugelförmige Wärmequelle vor [27], und ihre Energieverteilungsfunktion lautet: siehe Formel (6) in der Abbildung. Dabei ist: q(x,y,z) die Wärmestromdichte des Punkts (x,y,z) im Koordinatensystem; c ist der Radius der Kugel; Q ist die Wärmezufuhrrate.

Zahlreichen experimentellen Beobachtungen zufolge ist die tatsächliche Wärmequelle vorne und hinten nicht symmetrisch verteilt. Daher schlugen die Forscher eine doppelt ellipsoide Wärmequelle vor (siehe Abbildung 14), wobei die Vorder- und Rückseite jeweils zwei Viertelellipsoide sind.

Seine vorderen und hinteren Energieverteilungsfunktionen lauten: Siehe Formel (7) in der Abbildung. Dabei sind: qf und qr die Wärmestromverteilung im vorderen bzw. hinteren Halbellipsoid; af und ar die Halbachsen des vorderen bzw. hinteren Halbellipsoids; bh und ch die beiden anderen Halbachsen des vorderen bzw. hinteren Halbellipsoids, und die beiden kurzen Halbachsen der beiden Ellipsoide sind gleich; ff und fr die Anteile der Wärmezufuhr im vorderen bzw. hinteren Halbellipsoid, und ff + fr = 1.

Aufgrund der Größe des von der ellipsoiden Wärmequelle erzeugten Schmelzbades wird diese häufig bei der numerischen Simulation von Laserbearbeitungsprozessen wie Laserschweißen [29-30] und voreingestelltem Laserauftragschweißen verwendet. Hocine et al. [31] analysierten die Unterschiede zwischen drei Wärmequellenmodellen (ellipsoide Wärmequelle, doppelellipsoide Wärmequelle und zylindrische Wärmequelle) bei der Simulation der Entwicklung des Temperaturfelds und der Kontur des Schmelzbades beim selektiven Laserschmelzen. Die Ergebnisse zeigten, dass die drei Wärmequellenmodelle ihre eigenen einzigartigen Vorteile bei der Berechnung des Temperaturfelds und der Kontur des Schmelzbades haben. Die zylindrische Wärmequelle eignet sich zur Berechnung des Temperaturfelds des Schmelzbades, während die ellipsoide Wärmequelle die Kontur des Schmelzbades genauer berechnet. Luo Xinlei et al. [32] verwendeten ANSYS APDL zur Simulation des Temperaturfelds beim einkanaligen selektiven Laserschmelzen und verglichen die Simulationsergebnisse mit der Wärmequelle mit gaußscher Oberfläche und der doppelellipsoiden Wärmequelle. Die Ergebnisse zeigen, dass die doppeltellipsoide Wärmequelle besser mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmt als die gaußsche Oberflächenwärmequelle, da ihre Energieverteilung näher an der tatsächlichen Laserwärmequelle liegt. Beim selektiven Laserschmelzen werden Tiefe und Breite des Schmelzbades deutlich vergrößert, ohne dass sich die Eingangsenergiedichte des Lasers ändert, wenn die Laserleistung und die Scangeschwindigkeit erhöht werden, wie in Abbildung 15 dargestellt.

Einige Wissenschaftler haben auch detaillierte Untersuchungen zu den Änderungen des Temperaturfelds des Schmelzbads unter verschiedenen Prozessparametern durchgeführt. Hao Xiaojie [33] analysierte die Änderung des Temperaturfelds beim selektiven Laserschmelzen mithilfe der Software ABAQUS. Er verwendete eine doppelellipsoide Wärmequelle, die die zugeführte Laserenergie in einem bestimmten Volumen verteilte und in Form einer Wärmestromdichte auf die Knoten des Materialmodells anwandte. Er untersuchte den Einfluss verschiedener Prozessparameter auf das Temperaturfeld beim Laserschmelzen. Erhöht sich lediglich die Laserleistung, erhöhen sich die durchschnittliche Heiz- und Abkühlrate im Schmelzbad sowie die Größe des Schmelzbads entsprechend. Erhöht sich lediglich die Scangeschwindigkeit, erhöhen sich die durchschnittliche Heiz- und Abkühlrate im Schmelzbad stetig, während die Größe des Schmelzbads relativ abnimmt. Der Scanabstand beeinflusst den Umschmelzeffekt zwischen den Schmelzkanälen, während die Pulverdicke den Bindungseffekt zwischen den Scanschichten beeinflusst.

2.5 Kraft-Wärme-Kopplung

Die Wärmequelle mit Einzelvolumenverteilung vereinfacht das Verteilungsgesetz der Wärmequelle in Tiefenrichtung des Schmelzbades und unterscheidet nicht zwischen der Verteilung der Laserenergie an der Oberfläche und im Inneren des Schmelzbades [34]. Daraus ergeben sich kombinierte Wärmequellen wie segmentierte Körperwärmequellen, kombinierte Doppelellipsoidkegelwärmequellen und kombinierte Wärmequellen, die eine Gaußsche Oberflächenwärmequelle und eine Körperwärmequelle kombinieren. Die kombinierte Wärmequelle vereint die Vorteile von Oberflächenwärmequellen und Körperwärmequellen, entspricht eher den tatsächlichen Arbeitsbedingungen und weist eine höhere Simulationsgenauigkeit auf. Bei der kombinierten Wärmequelle ist die Oberflächenwärmequelle im Allgemeinen eine Oberflächenwärmequelle mit Gaußscher Wärmestromverteilung und die Körperwärmequelle im Allgemeinen eine linear abgeschwächte Gaußsche Zylinderwärmequelle oder eine rotierende Körperwärmequelle mit abnehmendem Wärmestrom [35].

Cai Haipeng et al. [36] verbesserten die Schweißwärmequelle auf der Grundlage der sich bewegenden Gaußschen Wärmequelle, erstellten ein segmentiertes Wärmequellenmodell, verwendeten grobe Gitter und eine entsprechende Wärmequellensegmentierung, um das Problem der Schweißverformung zu berechnen, und kombinierten die lokale verfeinerte Gittertechnologie, um die Spannungsentwicklung zu simulieren. Wang Qibing et al. [37] verwendeten eine kombinierte Wärmequelle, die den oberen Teil der doppelellipsoiden Wärmequelle und den unteren Teil der Gaußschen rotierenden Körperwärmequelle kombinierte, um das Wärme- und Strömungsfeld des Schmelzbads beim Laser-MIG-Hybridschweißen von Invar-Stahl zu simulieren. Die Ergebnisse zeigten, dass die von der kombinierten Wärmequelle simulierte Schmelzbadtemperaturfeldverteilung grundsätzlich mit den tatsächlichen experimentellen Ergebnissen übereinstimmte. Xie Yinkai et al. [38] erstellten eine kombinierte Wärmequelle aus einer parabolischen rotierenden Körperwärmequelle (untere Hälfte) und einer zylindrischen Wärmequelle (obere Hälfte) (wie in Abbildung 16 gezeigt), um die spezifischen Störungen der Schmelzbadgröße, des Schmelzflusses und der gas-flüssigkeitsfreien Grenzfläche während des laserselektiven Schmelzens zu simulieren. Beim Einschicht-Beschichten sind die Faktoren der Porenbildung vor allem von der Scangeschwindigkeit und der Pulverschichtdicke abhängig. Beim Mehrschicht-Beschichten sind die Faktoren, die die Porenbildung beeinflussen, hauptsächlich der Scanabstand, und die Anzahl der Poren steigt mit zunehmendem Scanabstand.

Wang Yiwen et al. [39] haben auf Grundlage der Software Fluent ein dreidimensionales symmetrisches numerisches Modell für die vorübergehende Bewegung und den Wärme- und Massentransfer des Schmelzbades entwickelt. Mithilfe einer dreidimensionalen halbkugelförmigen Gaußschen Wärmequelle wurden der Entwicklungsprozess und das Fließverhalten der Flüssigkeits-/Gas-Grenzfläche des Schmelzbades unter verschiedenen Prozessparametern analysiert und die Beziehung zwischen Strömung, Temperatur und Größe und Oberflächenqualität des Schmelzbades ermittelt (siehe Abbildung 17 bzw. 18). Die Ergebnisse zeigen, dass die Morphologie der im Experiment und in der Simulation erhaltenen einstufigen Mantelschicht ähnlich ist. Nachdem sich ein stabiles Schmelzbad gebildet hat, fließt die Flüssigkeit im Schmelzbad radial vom Hochtemperaturbereich in den Niedrigtemperaturbereich, und die Fließgeschwindigkeit nimmt von der Mitte nach außen allmählich zu. Die Kamera überwacht den Fluss der Schlacke in Echtzeit, und die Fließrichtung des simulierten Strömungsfelds bleibt konsistent.

2.6 Andere Wärmequellenmodelle

Mit der Weiterentwicklung der Computertechnologie haben einige Wissenschaftler das bestehende Wärmequellenmodell entsprechend den tatsächlichen Arbeitsbedingungen weiter optimiert und ein neues Wärmequellenmodell erstellt. Darüber hinaus können numerische Simulationen unter einigen speziellen Verarbeitungsbedingungen auch durch spezifische Wärmequellenmodelle erreicht werden, wie z. B. Breitband-Laserstrahl-Wärmequellenmodell, Hohlring-Wärmequellenmodell usw.

Lei Dingzhong et al. [40] simulierten und analysierten mit der Software TracePro den Lichtweg und die Verteilung des fokussierten Lichtpunktstroms W, der von der Breitband-Laserauftragsdüse mit Pulverzufuhr im Licht gebildet wird, und erstellten ein dreidimensionales mathematisches Modell des Breitband-Hohlringlasers auf der Spiegeloberfläche. Tseng et al. [41] schlugen ein Laser-Wärmequellenmodell auf Basis der Software SYSWELD vor, analysierten umfassend den Einfluss der Laserstrahleigenschaften und Prozessparameter auf das Temperaturfeld und die Form der Auftragungsschicht und entwickelten ein numerisches Modell zur experimentellen Verifizierung des Laserauftragsschweißens, das auf die numerische Simulation anderer Laserbearbeitungsprozesse angewendet werden kann. Liu et al. [42] erstellten ein Breitband-Laserstrahl-Wärmequellenmodell und seine Energieverteilungsfunktion lautet: siehe Formel (8) in der Abbildung.
Wobei: I0=αβP/(wd). α ist der Laserabsorptionskoeffizient, α=0.75; β ist die Leistungseffizienz, β=0.98; P ist die Laserleistung; d ist die Breite des Breitbandlaserspots, d=1.5 mm; w ist die Länge des Breitbandlaserspots, w=15 mm. Liu et al. [42] untersuchten das Temperaturfeld und das Spannungsfeld einer einstufigen Mantelschicht beim Breitstrahl-Lasermantelschweißen. Die Temperaturfeldverteilung ist in Abbildung 19 dargestellt. In Kombination mit den Temperaturdaten wurden Länge, Breite und Tiefe des Schmelzbads berechnet. Gleichzeitig wurden die Auswirkungen von Prozessparametern wie Laserleistung und Scangeschwindigkeit auf Schmelzbadgröße, Temperaturgradienten, Abkühlungsrate und Erstarrungsrate diskutiert. Darüber hinaus wurde die thermische Spannungsfeldverteilung der Mantelschicht in verschiedene Richtungen und auf verschiedenen Wegen untersucht.

Feng Yiqi [43] entwickelte ein Strömungsmechanikmodell für selektives Laserschmelzen im Schmelzbad. Basierend auf den Energiedämpfungseigenschaften des Lasers im Pulverbett wurde in der Simulation eine Körperwärmequelle mit Laserintensitätsdämpfung verwendet: siehe Formel (9) in der Abbildung.
Die Simulationsergebnisse des Pulververteilungsmodells wurden in das Strömungsmechanikmodell des Schmelzbads importiert, um das Fließverhalten des Schmelzbads vorherzusagen. Außerdem wurde eine eingehende Analyse der Beziehung zwischen dem Fließverhalten, Löchern und dem Sphäroidisierungseffekt des Schmelzbads bei mehrlagigem Plattieren durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Unterseite des Zusatzmaterials eine dichtere Pulververteilung aufweist als die flache Unterseite. Aufgrund der großen Unsicherheit des Schmelzbadflusses tritt das Sphäroidisierungsphänomen hauptsächlich an der Unterseite des Zusatzmaterials auf, und die nicht verschmolzenen Löcher entstehen hauptsächlich an der Einschnürung des Schmelzkanals zwischen mehreren Plattierungsschichten, wie in Abbildung 20 dargestellt.

Song et al. [44] betrachteten umfassend den Dämpfungseffekt der Wechselwirkung zwischen dem Pulverstrahl und dem Laser und den Kühlkörpereffekt der ungeschmolzenen Pulverpartikel, die in das Schmelzbad gelangen. Basierend auf der Software COMSOL wurde ein Wärmequellenmodell erstellt, um den Schmelzfluss und die Oberflächenspannung der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche zu simulieren. Das Temperaturfeld und die Strömungsfeldverteilung sind in Abbildung 21 dargestellt. Gleichzeitig wurden die Krümmung der freien Oberfläche des Schmelzbades und die Größe der Mantelschicht vorhergesagt. In drei verschiedenen Querschnittsrichtungen entspricht die Richtung des simulierten Temperaturgradienten der Kornwachstumsrichtung. Die experimentelle Überprüfung der Breite, Höhe und Tiefe des Schmelzbades der Mantelschicht zeigt, dass unter den Prozessparametern, die den Einfluss unterschiedlicher Laserleistungen, Laserscangeschwindigkeiten und Pulverzufuhrraten berücksichtigen, der maximale Fehler zwischen den Simulationsergebnissen und den experimentellen Ergebnissen 10 % beträgt.

Xu Jiachao et al. [45] erstellten ein dreidimensionales mathematisches Modell einer Hohlringlaser-Wärmequelle, indem sie die Idee eines geometrischen Rotationskörpers kombinierten und dessen mathematische Analyseformel wie folgt erhielten: siehe Formel (10) in der Abbildung.

Dabei ist: f1 der Energieumwandlungskoeffizient, f1≤1; Q ist die Wärmeeingangsleistung, W; μ ist die Position des Energiepeaks, der sich normalerweise in der Mitte des Ringbereichs befindet, d. h. μ=(R+r)/2; a ist 1/2 der Ringbreite, d. h. (Rr)/2; R und r sind der Außendurchmesser und der Innendurchmesser des Ringflecks, mm; c ist die Tiefe der Lichtquelle, mm. Die relevanten Parameter des Wärmequellenmodells wurden experimentell bestimmt und das Modell wurde basierend auf der COMSOL-Software geladen, um die vorübergehende Temperaturfeldverteilung und die Wärmezykluskurve der Ringlaserummantelung zu simulieren. Die Temperaturspitze und das Spitzental nehmen aufgrund von Wärmeansammlung und Wärmeleitung jeweils ab bzw. zu. Mit zunehmender Schichthöhe wird der Temperaturanstiegsbereich der abgeschiedenen Schicht flach.

Zusammenfassend sind die anwendbaren Umgebungen mehrerer weit verbreiteter Modelle von Laserwärmequellen in Tabelle 1 zusammengefasst. In der Temperaturfeldsimulation sind die von verschiedenen Modellen erzielten Trends der Temperaturfeldverteilung ähnlich, alle in der Form elliptischer Kometen, und der Hauptunterschied liegt in den unterschiedlichen Hochtemperaturbereichen. In der Strömungsfeldsimulation ist die von verschiedenen Wärmequellenmodellen erzielte Gesamtverteilung des Schmelzbadströmungsfelds ähnlich, und der Hochgeschwindigkeitsbereich konzentriert sich ebenfalls in der Mitte des Schmelzbads. Der Hauptunterschied besteht in der unterschiedlichen Größe des Schmelzbads, und das Wärmequellenmodell mit stärker gestreuter Energieverteilung erzielt eine geringere Schmelztiefe und -breite. Da die Prozessparameter im tatsächlichen Plattierungsprozess komplex sind, dient Tabelle 1 nur als Referenz, und das Wärmequellenmodell sollte entsprechend den tatsächlichen Versuchsbedingungen vernünftig ausgewählt werden.

3 Forschungsfortschritt der freien Flüssigkeitsoberfläche in der numerischen Simulation des Laserauftragschweißens

Beim Laserplattieren steht die freie Flüssigkeitsoberfläche des Schmelzbades in direktem Kontakt mit der Luft, was hauptsächlich von der Oberflächenspannung beeinflusst wird und das Größenprofil der Plattierungsschicht direkt bestimmt. Zu den derzeit gängigen Methoden zur Untersuchung der freien Oberfläche des Schmelzbades gehören die Level-Set-Methode basierend auf festen Gittern, die Volume-of-Fluid-Methode, die Coupled-Level-Set-Methode und die Volume-of-Fluid-Methode, die Phase-Field-Methode und die Arbitrary-Lagrangian-Eulerian-Methode basierend auf beweglichen Gittern.

3.1 Level-Set-Methode

Die Level-Set-Methode (LS), auch bekannt als Isoflächenfunktionsmethode[49], verwendet eine Distanzfeldfunktion zur Beschreibung der dynamischen Schnittstelle. Die Level-Set-Methode wurde ursprünglich zur Untersuchung der Schnittstelle von Mehrphasenströmungen vorgeschlagen und wird mittlerweile auch bei der Bilderkennung, Schnittstellenrekonstruktion und in anderen Bereichen eingesetzt. Liu et al.[50] verwendeten die Level-Set-Methode zur Verfolgung der freien Oberfläche des geschmolzenen Metalls beim selektiven Laserschmelzen und fanden heraus, dass die instabile Störung durch die Änderung der Oberflächenspannung lokale Vertiefungen auf der Oberfläche des Schmelzbads verursachte und dadurch die Oberflächenrauheit der Ummantelungsschicht nach der Bildung beeinflusste. Allerdings ist die numerische Dissipation der LS-Methode während der Berechnung relativ schwerwiegend, was zu Problemen mit der Nichterhaltung der Masse führt.

3.2 Volumenmethode

Die Volume-of-Fluid-Methode (VOF) beschreibt die freie Grenzfläche durch Definition einer Volumenanteilsfunktion und rekonstruiert die Grenzfläche durch Lösen des Volumenanteils in einem einzigen Raster. Die VOF-Methode weist eine bessere Massenerhaltung als die LS-Methode auf. Ye Chen [51] simulierte und prognostizierte das Größenprofil der Mantelschicht eines Lasermantels anhand der VOF-Methode und überprüfte die Simulationsergebnisse durch orthogonale Experimente. Die Vergleichsergebnisse der drei Datengruppen, nämlich Schmelzhöhe, Schmelztiefe und Verdünnungsrate, zeigten eine Abweichung innerhalb von 10 %, was die Genauigkeit des numerischen Modells bewies. Allerdings ist die Genauigkeit der mit der VOF-Methode konstruierten freien Grenzfläche nicht hoch genug, und der Fluss in Normalrichtung der Grenzfläche kann nicht genau verfolgt werden [52]. Wen Baoxian et al. [53] hat ein Körperwärmequellenmodell der Laserenergieverteilung im Pulverbett auf der Grundlage des Ausbreitungsgesetzes des Lichtstrahls im Pulvermedium auf der Grundlage der Fluent-Software erstellt, die klassische VOF-Methode modifiziert und eine VOF-Methode vorgeschlagen, mit der das Kollapsphänomen nach dem Schmelzen des Pulvers simuliert werden kann. Die Berechnungsergebnisse zeigen, dass die Änderung des Volumens der Pulverschicht das Temperaturfeld und das Geschwindigkeitsfeld des Schmelzbads und seiner Umgebung sowie die endgültige Morphologie des Werkstücks beeinflusst.

3.3 Gekoppelte Level-Set-Methode und Fluid-Volumen-Methode

Die Methode „Coupled Level-set with VOF“ (CLSVOF) vereint die Vorteile der LS-Methode und der VOF-Methode und weist eine gute Genauigkeit bei der Rekonstruktion der Grenzfläche und Massenerhaltung auf. Wei et al. [54] kombinierten die LS-Methode und die VOF-Methode, um ein gekoppeltes Mehrphasenströmungsmodell vorzuschlagen, mit dem der Wärme- und Massentransfer während der Laser-Heißdrahtabscheidung und die Strömung der freien Oberfläche untersucht werden können. Das Modell kann subtile Schwankungen der Gas-/Flüssigkeitsgrenzfläche von nur etwa 0.03 mm erfassen. Wang Xiangyu et al. [55] verwendeten die CLSVOF-Methode, um die Veränderung der freien Flüssigkeitsoberfläche des Schmelzbads vorherzusagen, analysierten den Massentransfer innerhalb des Schmelzbads und schlugen ein Mehrphasenströmungsmodell zur Simulation der Mikroströmung beim Laserauftragschweißen heterogener Materialien vor. Die Abweichungen zwischen Experiment und Simulation lagen im Bereich von 9 %. Darüber hinaus erstellten Thorsten Heeling et al. [56] im Bereich des selektiven Laserschmelzens ein numerisches Simulationsmodell des Schmelzbads auf Grundlage der CLSVOF-Methode. Bei der Analyse der durch Simulation und Experiment ermittelten Schmelzbadgröße wurde festgestellt, dass die Abweichung der Schmelzbadtiefe mit zunehmender Scangeschwindigkeit zunimmt, während die Abweichung der Querschnittsgröße mit zunehmender Scangeschwindigkeit abnimmt.

3.4 Phasenfeldmethode

Die Phasenfeldmethode (PF) basiert auf der Ginzburg-Landau-Theorie und löst vorübergehende Änderungen der Schnittstelle durch Differentialgleichungen [57]. Im Gegensatz zur VOF-Methode muss die Schnittstelle nicht rekonstruiert werden. Im Vergleich zur LS-Methode muss die Distanzfunktion nicht aufwendig initialisiert werden. Der Rechenaufwand ist relativ gering und die Methode bietet einzigartige Vorteile bei der Behandlung von Problemen mit freien Flüssigkeitsoberflächen kleinerer Größenordnungen oder hoher Oberflächenspannungsempfindlichkeit. Jin et al. [58] erstellten ein zweidimensionales numerisches Simulationsmodell für das Laserschmelzen von Pulverbetten auf Grundlage der Phasenfeldmethode und fanden heraus, dass der Marangoni-Effekt zur Bildung von Blasen im Schmelzbad führt. Der Umschmelzvorgang und die Erhöhung der Laserleistung können zur Beseitigung von Poren beitragen, wie in Abbildung 22 dargestellt.

3.5 Beliebige Lagrange- und Euler-Methoden

Die Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE)-Methode verfolgt die dynamische Schnittstelle über die Schnittstellenbewegungsfunktion. Sie vereint die Vorteile der beiden Beschreibungsmethoden, der Lagrange- und der Euler-Methode, und bietet offensichtliche Vorteile bei der Bearbeitung von Problemen mit hochpräzisen freien Flüssigkeitsoberflächen und Flüssigkeit-Feststoff-Kopplung. Auf Grundlage der ALE-Methode verwendeten Tian et al. [59] die Software COMSOL, um ein Finite-Elemente-Modell für Wärmeübertragung und Flüssigkeitsströmung mit mehreren physikalischen Parametern zu erstellen, und untersuchten den Einfluss verschiedener Prozessparameter auf die Verdünnungsrate und die Geometrie des Schmelzbades. Die Ergebnisse zeigen, dass die Verdünnungsrate innerhalb eines bestimmten Bereichs linear mit dem relativen Energie-Masse-Verhältnis zusammenhängt. Darüber hinaus verändert sich mit zunehmendem relativen Energie-Masse-Verhältnis und einhergehender Strömung der Flüssigkeit im Schmelzbad die bogenförmige Fest-Flüssigkeits-Grenzfläche am Boden des Schmelzbades allmählich von flach zu tief, wie in Abbildung 23 gezeigt. Gan et al. [60] wurde ein mehrphasiges Wärme- und Stoffübergangsmodell für die Laserdirektabscheidung entwickelt und die auf dynamischer Netztechnologie basierende ALE-Methode zur Verfolgung der dynamischen Änderungen an der Schmelzbadoberfläche verwendet. Darüber hinaus wurden das Größenprofil und die Zusammensetzungsverteilung des Schmelzbads berechnet. Daraus lässt sich schließen, dass Konvektion der Hauptmechanismus für den Stoffübergang von Legierungselementen im Schmelzbad ist.
Zusammenfassend sind in Tabelle 2 die Vor- und Nachteile der oben genannten Methoden zur freien Verfolgung von Flüssigkeitsoberflächen zusammengefasst.

4 Überprüfung des Laser-Cladding-Schmelzbad-Simulationsmodells

Bei der Untersuchung der numerischen Simulation von Laserbeschichtungen ist es notwendig, ein angemessenes numerisches Analysemodell zu erstellen und das Modell zu überprüfen. Die aktuelle Modellüberprüfung erfolgt hauptsächlich durch die Erfassung der Schmelzbadtemperatur, des Bildes und anderer Signale, die Verwendung von Computertechnologie zur Signalverarbeitung und schließlich den Vergleich und die Überprüfung mit Temperaturfeld- und Strömungsfeldsimulationsdaten.

4.1 Temperaturfeldverifizierung

Die Temperaturerfassung von Schmelzbädern mit Laserbeschichtung wird in Kontakterfassung und berührungslose Erfassung unterteilt [62]. Die häufig verwendete Kontakttemperaturerfassung erfolgt hauptsächlich über die Temperaturmessung mit Thermoelementen, wobei das Temperatursensorelement in direktem Kontakt mit dem zu messenden Objekt steht. Der Vorteil liegt in der einfachen Handhabung und der hohen Erfassungsgenauigkeit. Li Yanmin et al. [63] verwendeten Thermoelemente zur Messung der Temperatur des Substrats und kombinierten dies mit numerischer Simulation zur Analyse der Temperaturverteilung im Schmelzbad und ermittelten ungefähr die Temperaturänderung des Schmelzbads. Da die Temperatur in der Mitte des Schmelzbads mit Laserbeschichtung zu hoch ist, kann das Temperatursensorelement die Temperatur in der Mitte des Schmelzbads nicht messen, und eine langfristig hohe Arbeitstemperatur verkürzt die Lebensdauer der Erfassungsausrüstung erheblich. Daher wird bei der derzeit gängigen Temperaturerfassung von Schmelzbädern eine berührungslose Temperaturmessung verwendet. Die berührungslose Temperaturmessung von Schmelzbädern mit Laserbeschichtung umfasst hauptsächlich monochrome Temperaturmessung, kolorimetrische Temperaturmessung sowie Bildsignalerfassung und Temperaturmessung durch CCD [64]. Peng Cheng et al. [65] simulierten mit der Software ANSYS die Temperaturfeldverteilung während des Plattierungsformungsprozesses von dünnen Wänden aus Titanlegierungen und entwickelten ein Online-Erkennungssystem für die Temperatur des Schmelzbads bei Hohlring-Laserplattierungen unter Verwendung eines Zweifarbenthermometers, maß die tatsächliche Temperatur und überprüfte die Simulationsergebnisse. Die Ergebnisse zeigen, dass das Phänomen der Wärmestauung schwerwiegender wird, je weiter sich die Ablagerungsschicht nach oben ansammelt. Forien et al. [66] entwickelten ein In-situ-Erkennungssystem für das Schmelzbad im Laser-Pulverbett-Schmelzprozess unter Verwendung von Hochtemperatur-Diodentemperaturmessung und Hochgeschwindigkeits-Abbildungstechnik. Sie fanden heraus, dass die Änderung des Pyrometersignals mit dem Porenbildungsbereich zusammenhing und die Wahrscheinlichkeit der Porenbildung im Hochtemperatur-Signalübergangsbereich stark anstieg (5 %–95 %).

4.2 Strömungsfeldverifikation

Die Strömungsfeldverifizierung des Schmelzbades umfasst hauptsächlich zwei Arten: In-situ-Erkennung und Nicht-In-situ-Erkennung. Bei der In-situ-Erkennung wird hauptsächlich eine CCD- oder CMOS-Kamera verwendet, um während des Laserauftragschweißens ein Echtzeitbild der Oberflächenmorphologie des Schmelzbades zu erhalten. Nach der Bildverarbeitung wird es zur Verifizierung mit den Simulationsdaten verglichen. Wirth et al. [67] entwickelten ein Online-Bilderfassungssystem mit einer Hochgeschwindigkeitskamera für das Laserauftragschweißen (siehe Abbildung 24), um das Fließgesetz der Schmelzbadoberfläche und die Partikelbewegungsgeschwindigkeit zu ermitteln. Die Analyse ergab, dass die lokale Fließrichtung des Schmelzbades von den Prozessparametern beeinflusst wird und eine gewisse Zufälligkeit aufweist. In den meisten numerischen Simulationen hat die Annahme, dass die Flüssigkeit im Schmelzbad laminar strömt, einen gewissen Einfluss auf die Simulationsergebnisse. Huang Jiankang et al. [68] verwendeten eine Partikelverfolgungsmethode in Kombination mit einem Schmelzbad-Spiegelabbildungssystem, um das Fließverhalten der Schmelzbadoberfläche beim WIG-Schweißen zu untersuchen. Durch Kalibrierung der Abbildungsbeziehung zwischen der tatsächlichen Breite des Schmelzbads und der Pixelbreite der Videodaten berechneten sie, dass die Fließgeschwindigkeit der Schmelzbadoberfläche etwa 12 mm/s (Edelstahl 304) und 15 mm/s (Kohlenstoffstahl Q235) betrug. Bei der Nicht-In-situ-Erkennung werden hauptsächlich das Größenprofil und die mechanischen Eigenschaften der Versuchsproben erkannt und diese dann zur Überprüfung mit den Simulationsdaten verglichen. Wu Jiazhu [68] untersuchte den Wärmeflussübertragungsmechanismus des Laser-Direktmetallabscheidungsprozesses, maß die im Experiment ermittelte Schmelztiefe und Höhe der Abscheidungsschicht der Probe und verglich sie mit den durch Simulation erhaltenen Daten zum Formprofil des Schmelzbads. Dadurch konnte bestätigt werden, dass das Modell eine hohe Vorhersagegenauigkeit (≥95 %) aufweist.

5 Zusammenfassung und Ausblick

Die Temperaturfeld- und Strömungsfeldsimulation des Laserauftragschweißens trägt dazu bei, die metallurgischen dynamischen Eigenschaften des Schmelzbades aufzudecken, es bestehen jedoch weiterhin folgende Probleme:

1) Bei der Untersuchung der Schmelzbadströmungsfeldsimulation sind die Randbedingungen nicht perfekt. Im Allgemeinen werden für die Kräfte auf die Flüssigkeit im Schmelzbad nur die Oberflächenspannung, die Schwerkraft und der Auftrieb des Schmelzbads berücksichtigt, und der Druck des Schutzgases und der Aufprall der ungeschmolzenen Pulverpartikel auf die Schmelzbadoberfläche werden weniger berücksichtigt.

2) Bei der Untersuchung der Änderungen im Temperaturfeld und im Strömungsfeld im Schmelzbad legen manche Wissenschaftler die Form der Ummantelungsschicht im Voraus fest oder gehen bei der Erstellung des Finite-Elemente-Modells davon aus, dass sich das Schmelzbad in einer Ebene befindet, während sie die freie Oberfläche der Flüssigkeit/des Gases im Schmelzbad ignorieren. Dadurch ist die Genauigkeit dieser Modelle bei der Analyse der Bewegung des Schmelzbads und der Flüssigkeit/des Gas-Grenzflächen sowie bei der Untersuchung des Strömungsmechanismus des Schmelzbads begrenzt.

3) Die meisten Studien basieren auf horizontalen Substraten, aber die zu reparierenden Teile haben oft eine komplexe Form und liegen auf nicht horizontalen Grundflächen. Daher bedarf das Laserauftragschweißen auf nicht horizontalen Grundflächen weiterer Forschung.

Angesichts der oben genannten Mängel werden folgende Verbesserungsmaßnahmen vorgeschlagen.

1) Verbesserung der Randbedingungen. Der Schutzgasdruck wird experimentell gemessen, quantifiziert und als Randbedingung zur Oberfläche des Schmelzbades hinzugefügt.

2) Verbesserung des numerischen Modells. Die Simulationsforschung des Pulverströmungsfelds der Laserbeschichtungsdüse ist bereits sehr ausgereift. Wir können versuchen, das diskrete Phasenmodell zu kombinieren, um während des Simulationsprozesses gleichzeitig Pulvermaterialien hinzuzufügen, um die Beschichtungsschicht zu bilden und ein geeignetes Mehrphasenströmungsmodell für Wärme- und Massenübertragung zu erstellen.

3) Der Bildungsmechanismus und der Entwicklungsprozess der Mantelschicht sollten in Kombination mit der inneren Kraft des Schmelzbades analysiert werden, und eine wissenschaftliche Erklärung des Fließverhaltens und der morphologischen Veränderungen des Schmelzbades unter variabler Lage wird die nächste wichtige Forschungsrichtung sein.