Descríbense brevemente as forzas que actúan sobre a piscina fundida do revestimento láser, incluíndo a tensión superficial, a forza de cizalla viscosa, a gravidade e a presión do gas protector, e analízase brevemente o mecanismo de formación da capa de revestimento desde a perspectiva do crecemento do tecido e do fluxo da piscina fundida. Ao mesmo tempo, resúmense as leis e ecuacións de distribución de enerxía dos diferentes modelos de fontes de calor utilizadas na simulación de revestimentos con láser, incluíndo fonte de calor gaussiana de superficie, fonte de calor anular de superficie, fonte de calor corporal gaussiana, fonte de calor elipsoidal e fonte de calor corporal combinada. Sobre esta base, a investigación avanza na simulación numérica do campo de temperatura e o campo de fluxo do revestimento láser clasifícase e revisase a piscina fundida na casa e no estranxeiro nos últimos anos e analízanse as vantaxes e desvantaxes de varios modelos de fonte de calor. Resúmese o ambiente aplicable das diferentes fontes de calor e as leis de distribución do campo de temperatura e do campo de fluxo obtidos. Ademais, resúmense os métodos de investigación da superficie líquida libre da piscina fundida e resúmense os métodos de verificación dos modelos de simulación numérica do campo de temperatura e do campo de fluxo. Ao mesmo tempo, á vista dos problemas existentes na investigación de simulación numérica da piscina fundida do revestimento láser, resúmense a partir dos aspectos dos modelos numéricos e das condicións de contorno e, finalmente, prospócase a dirección de desenvolvemento futuro.

O revestimento con láser é un novo proceso de modificación de superficies e reparación de materiais. Engade material de revestimento á superficie do substrato estendendo ou alimentando po, e utiliza un raio láser de alta enerxía para derreter rapidamente o material da capa de revestimento para formar unha capa de revestimento cunha boa unión metalúrxica na superficie do substrato, cambiando así a composición do substrato. superficie e mellorando as propiedades da superficie do material [1]. Durante o proceso de revestimento con láser, a piscina fundida non é constante e será perturbada polo fluxo de Marangoni, a inxección de po, a entrega de po, a turbulencia no gas protector e os parámetros de procesamento variables [2]. Un gran número de estudos demostraron que a forza de Marangoni impulsada pola tensión superficial ten unha influencia importante no fluxo da piscina fundida [3-4], que tamén é un factor clave para determinar a morfoloxía e a dilución da capa de revestimento. O comportamento do fluxo na piscina fundida ten un impacto directo na evolución da estrutura do material. A dinámica de fluídos e a evolución xeométrica da piscina líquida fundida están directamente relacionadas coas propiedades mecánicas do material de fabricación aditiva. Dado que a piscina fundida fórmase nun tempo extremadamente curto e o tamaño da piscina fundida é pequena, é case imposible controlar con precisión a evolución instantánea da piscina fundida en tempo real durante o experimento. Polo tanto, co desenvolvemento da tecnoloxía informática, a simulación numérica do comportamento dinámico do fluxo dentro da piscina fundida a través da simulación de elementos finitos converteuse na corrente principal. Na simulación numérica da piscina fundida de revestimento láser, un modelo de fonte de calor razoable é a clave para obter resultados de simulación numérica precisos. Xeralmente, o modelo de fonte de calor correspondente establécese segundo a fonte de calor láser requirida polas condicións reais de traballo. A lonxitude de extinción do material depende principalmente do coeficiente de absorción do material a unha lonxitude de onda específica do láser. Segundo a lonxitude de extinción do material ao láser, o modelo de fonte de calor no proceso de revestimento con láser pódese dividir en fonte de calor superficial e fonte de calor corporal. Se o láser actúa sobre a superficie do material, a enerxía do láser decae a 0 despois dunha curta distancia de transmisión. Pódese supoñer que a enerxía é completamente absorbida na superficie do material, e a absorción da enerxía do láser polo material da matriz pódese chamar absorción superficial; se a profundidade de transmisión é profunda, aínda que supera o grosor do material, pódese chamar absorción corporal [5].

Este artigo describe brevemente o mecanismo de formación da piscina fundida do revestimento láser e, a continuación, clasifica e revisa o progreso da investigación da simulación numérica da piscina fundida do revestimento láser baixo varios modelos de fonte de calor amplamente utilizados, resume o estado da investigación do campo de temperatura da piscina fundida e o campo de fluxo numérico. simulación baixo diferentes fontes de calor e, finalmente, agarda o problema de simulación de piscina fundida do revestimento con láser.

1 Mecanismo de formación da piscina fundida de revestimento láser

Durante o proceso de revestimento con láser, a densidade de enerxía da entrada do láser é alta. A condución de calor e a convección controlan a evolución física da piscina fundida e determinan directamente o campo de temperatura e a distribución do campo de fluxo na piscina fundida. A piscina fundida do revestimento láser pode alcanzar o equilibrio nun tempo moi curto, no que hai un gran gradiente de temperatura e unha rápida convección cíclica. O raio láser enfocado irradiase sobre o substrato metálico, a temperatura do substrato sobe e fúndese para formar unha piscina fundida. A boquilla pulveriza o po metálico na piscina fundida de forma sincronizada. O metal líquido na piscina fundida convecta baixo a acción da tensión de Marangoni. A temperatura dentro da piscina fundida vaise uniformando gradualmente. O fundido flúe ata o bordo da piscina fundida, chega á superficie da piscina fundida e solidifica para formar unha capa de revestimento. Canción et al. [6] analizou a formación da piscina fundida, o patrón de convección interna e o comportamento de solidificación da capa de revestimento.

As forzas na piscina fundida son complexas. A principal forza motriz para o fluxo de fluído na piscina fundida é o fluxo de Marangoni xerado polo equilibrio entre a flotabilidade e o gradiente de tensión superficial e a forza de corte viscosa [7]. Shi Jianjun [8] analizou a forza tridimensional da piscina fundida. A análise da forza da piscina fundida móstrase na Figura 1, que inclúe principalmente a tensión superficial Fγ, a forza de cizalla viscosa Fμ, a gravidade G e a presión do gas protector Fp, e θ é o ángulo de deflexión do substrato. Baixo a acción combinada da tensión superficial, a gravidade, a forza de cizallamento viscosa e a presión do gas protector, o metal fundido forma unha piscina de metal fundido equilibrada dinámicamente. Entre eles, a tensión superficial ten o maior impacto na piscina fundida, e o fluxo do fluído na piscina fundida é impulsado principalmente pola convección de Marangoni impulsada pola tensión superficial.

2 Avance da investigación do modelo de fonte de calor para a simulación numérica de revestimento láser

2.1 Fonte de calor gaussiana superficial

Actualmente, a maioría das simulacións numéricas de revestimento con láser usan un modelo de fonte de calor gaussiana, como se mostra na Figura 2. A enerxía do láser distribúese normalmente no espazo, con máis no centro e menos no bordo, o que é consistente co proceso de procesamento real. Non obstante, ignórase a distribución de enerxía na dirección da profundidade da piscina fundida, polo que non é adecuada para condicións de traballo cunha piscina fundida máis profunda.

A expresión da ecuación da densidade do fluxo de calor é: Ver as fórmulas (1) e (2) na figura. Onde: q(r) é o fluxo de calor superficial no raio r, W/m2; R é a distancia desde o centro do punto, m; c é o coeficiente de concentración do fluxo de calor, m2; qm é o fluxo de calor máximo no centro da fonte de calor, W/m2; P é a potencia do láser, W; η é a taxa de utilización do láser.

A fonte de calor de superficie gaussiana é axeitada para condicións de procesamento con pequenos anchos e profundidades de piscina fundida e grosor da capa de revestimento. Para a simulación numérica do campo de temperatura da piscina fundida, Wang Zhijian et al. [10] utilizou a fonte de calor de superficie gaussiana para simular numericamente o proceso de solidificación da piscina fundida con láser dunha soa capa de aliaxe de titanio TC4. O estudo descubriu que no revestimento láser dun só paso, debido á rápida transferencia de calor na cola, a calor no extremo frontal da piscina fundida está máis concentrada que na parte traseira e a profundidade fundida é maior. Co aumento da potencia do láser, a profundidade de fusión da piscina fundida e o rango da zona afectada pola calor aumentan gradualmente debido ao aumento da entrada de enerxía. Pant et al. [11] estableceu un modelo de mestura de piscina fundida baseado no método de elementos finitos e estudou o comportamento da transferencia de calor da piscina fundida durante a fusión por deposición con láser. Os resultados mostran que o estanque fundido é elíptico na parte frontal e ten forma de cometa cunha cola estirada. O ancho da piscina fundida aumenta co aumento da potencia do láser (como se mostra na Figura 3). A velocidade de arrefriamento aumenta co aumento da velocidade de exploración e o aumento da potencia do láser aumentará o gradiente de temperatura na piscina fundida e a velocidade de arrefriamento aumentará en consecuencia.

Ademais, algúns estudosos estudaron a simulación de morfoloxía tridimensional da piscina fundida baixo a fonte de calor superficial gaussiana. Fallah et al. [12] propuxo unha simulación transitoria do modelo de elementos finitos para predecir o tamaño e a evolución da morfoloxía da piscina fundida durante a deposición de po láser. Os resultados mostraron que o perfil de piscina fundido previsto simulado estaba preto do experimento.
pero non se fixo ningunha análise específica sobre o campo de temperatura e o campo de fluxo da piscina fundida. Gao et al. [13] estableceu un modelo de predición numérica tridimensional para o procesamento dun só paso durante o revestimento con láser. Usando a fonte de calor de distribución gaussiana e baseándose no método da unidade de nacemento e morte, a forma xeométrica da capa de revestimento non é necesario predefinir. O campo de temperatura transitoria e a estrutura xeométrica da capa de revestimento calcúlanse simultaneamente. A forma do revestimento obtida concorda ben cos resultados experimentais, como se mostra na Figura 4. Ademais, tamén se analizaron a influencia dos parámetros do proceso no campo de temperatura e a forma xeométrica da capa de revestimento.

Algúns estudosos predefinirán a forma tridimensional da capa de revestimento con antelación cando usen a fonte de calor de superficie gaussiana para simular o campo de fluxo da piscina fundida. Liu Han et al. [14] estableceu un modelo tridimensional baseado no contorno real do tamaño da capa de deposición no estudo de simulación numérica do campo de temperatura e do campo de tensión no proceso de formación tridimensional de deposición con láser. Sobre esta base, estableceuse un modelo de elementos finitos da piscina fundida de deposición láser síncrona en po de seda e obtívose a lei de distribución do campo de fluxo da piscina fundida. Na sección transversal da piscina fundida fórmanse dúas circulacións distribuídas simétricamente e xéranse dúas circulacións radiais, unha forte por diante e outra débil por detrás. A distribución do fluído na superficie superior da piscina fundida mostra unha lei de difusión dende o centro ata o bordo. Li et al. [15] estableceu un modelo de acoplamento multicampo do proceso de revestimento con láser de disco baseado no software COMSOL e calculou as propiedades físicas térmicas do material mediante o método CALPHAD. Usando unha fonte de calor de superficie gaussiana, consideráronse exhaustivamente a interacción entre o feixe láser e o po e as condicións de tensión dentro da piscina fundida, e obtívose a lei de cambio do campo de temperatura e o campo de fluxo durante o proceso de revestimento con láser de disco. A piscina fundida é elipsoidal e a temperatura máis alta prodúcese na parte traseira do centro da piscina fundida. Na fase inicial do revestimento, o caudal da piscina fundida é baixa e a condución de calor xoga un papel importante na transferencia de enerxía da piscina fundida; a medida que avanza o proceso de revestimento, o caudal do metal fundido na piscina fundida acelera e a convección de calor xoga un papel importante neste momento, como se mostra nas figuras 5 e 6.

2.2 Fonte de calor anular superficial

A fonte de calor anular de superficie é un modelo de fonte de calor exclusivo para a simulación numérica do revestimento láser anular oco. Está baseado no novo proceso de revestimento láser anular oco de "feixe oco e alimentación en po no feixe", que ten vantaxes únicas sobre o revestimento tradicional "láser sólido". O seu principio básico é converter o feixe sólido nun feixe anular oco a través do sistema de conversión de feixe [16-17], de xeito que a área de concentración de distribución de enerxía cambie do centro ao bordo exterior (como se mostra na figura 7), o que pode eliminar o fenómeno de fusión incompleta no bordo da canle fundido causado polo revestimento láser sólido gaussiano e mellorar a desvantaxe da mala unión metalúrxica [18].

A distribución de enerxía na súa área anular tamén é como unha distribución gaussiana, e a función de distribución de enerxía é: Ver fórmula (3) na figura. Onde: R0 é o diámetro exterior do láser na posición focal, mm; z é o desenfoque, mm; φ é o ángulo entre o raio láser oco e a dirección horizontal; ξ é o coeficiente de posición de pico de enerxía.

Tian Meiling et al. [18] utilizou o software de análise de elementos finitos ANSYS para simular o campo de temperatura da piscina fundida anular láser oco e realizou unha análise teórica da distribución do campo de fluxo tridimensional. O campo de fluxo da piscina fundida do revestimento láser oco mostrou unha distribución de fluxo simétrica de catro aneis, como se mostra na figura 8. Shi Gaolian [20] utilizou o software de elementos finitos ANSYS e baseouse no modelo de fonte de calor anular oco de superficie para simular a temperatura transitoria. campo da piscina fundida de 45 mostra de aceiro revestimento Fe313 aliaxe, e obtivo a lei de evolución do campo de temperatura da piscina fundida de revestimento láser oco. Debido ao efecto de acumulación de calor durante o proceso de revestimento, a temperatura na piscina fundida aumenta gradualmente co aumento do tempo de exploración e da altura. A forma, posición e distribución da densidade de enerxía da piscina fundida e a calidade da peza formada cambiarán significativamente co cambio do ciclo de traballo. Li Guangqi et al. [21] simulou a carga do láser de anel oco baseado no software ANSYS usando a linguaxe APDL combinada co método de unidade de nacemento-morte e obtivo a lei de distribución do campo de temperatura da capa de revestimento. A distribución global do campo de temperatura durante o proceso de revestimento foi "en forma de cometa". Na fase inicial da exploración, o punto mostraba unha forma de anel completa coa mesma distribución de enerxía teórica. A medida que avanzaba o proceso de dixitalización, a zona de alta temperatura moveuse cara atrás no seu conxunto, evolucionando gradualmente desde unha forma de anel a unha forma de sela, como se mostra na Figura 9. Isto confirma as características da enerxía láser de anel oco de "baixo no medio". e alto na beira”. Ademais, a capa superficial do campo de temperatura da capa de revestimento mostrou unha "forma de val profundo", con alta nos dous lados e baixa no medio, e na dirección da profundidade da capa de revestimento, a temperatura diminuíu gradualmente co aumento da profundidade. , como se mostra na Figura 10.

2.3 Fonte de calor corporal gaussiana

No proceso de revestimento láser real, o raio láser móvese a certa velocidade e a distribución de enerxía non é uniforme, especialmente a distribución de enerxía da fonte de luz perpendicular á dirección de dixitalización é bastante diferente e o modelo da fonte de calor superficial non pode penetrar. a piscina fundida. Polo tanto, xurdiu a fonte de calor corporal. A enerxía do láser da fonte de calor corporal non só se deposita na superficie da capa de po, senón que tamén pode penetrar no interior da capa de revestimento, o que mellora a precisión do cálculo do campo de temperatura transitoria ou o campo de fluxo da piscina fundida. 22]. Algúns estudosos estableceron unha fonte de calor corporal gaussiana rotativa baseada no modelo da fonte de calor de superficie gaussiana, como se mostra na figura 11. O corpo de superficie de Gauss rotativo fórmase facendo xirar a curva de Gauss arredor do seu eixe de simetría. Asumindo que a enerxía da fonte de calor está toda distribuída dentro deste corpo superficial, a densidade de fluxo de calor na sección transversal é a distribución de Gauss.

A función de distribución de enerxía é: ver as fórmulas (4) e (5) da figura. Onde: e é a base natural; R0 é o raio da abertura da fonte de calor; H é a altura da fonte de calor; Q é a potencia da fonte de calor.

A fonte de calor gaussiana é o modelo de fonte de calor máis utilizado para a simulación numérica da piscina fundida de revestimento láser. Zhang Kerong et al. [24] simulou numericamente o proceso transitorio de soldadura por fusión profunda con láser do burato da chave de aliaxe de titanio TC4 baseado no modelo de fonte de calor de volume gaussiano rotativo, e analizou aínda máis a influencia de diferentes parámetros do proceso na morfoloxía do oco da chave en combinación con experimentos. O estudo mostrou que co aumento da densidade de enerxía do láser, o aumento da potencia do láser ou a diminución do diámetro do punto, a profundidade do oco da pechadura aumentou e o tamaño fíxose máis amplo. O diámetro do punto é o parámetro do proceso con maior influencia na morfoloxía do oco da chave. Sun et al. [25] simulou as partículas de po da deposición de enerxía direccional con láser baseándose nun software fluído usando un modelo de fase discreta, e analizou a morfoloxía da capa de deposición de po e a distribución dos campos de temperatura e velocidade en combinación co modelo de fonte de calor gaussiana. Os resultados mostran que na deposición directa de enerxía láser de alta velocidade, a velocidade do fluxo descendente na zona de acción do po é dominante debido á presión causada pola alimentación do po, como se mostra na Figura 12.

Na simulación numérica da morfoloxía da piscina fundida baseada na fonte de calor gaussiana. Chai et al. [26] estableceu un modelo numérico de revestimento láser nun substrato inclinado baseado no método do autómata celular e simulou a influencia de diferentes ángulos de inclinación na área da sección transversal relativa, a anchura, a altura e a compensación do vértice da capa de revestimento, como se mostra en Figura 13. Os resultados mostran que a área da sección transversal relativa primeiro aumenta, despois diminúe e despois tende a ser estable co aumento do ángulo de inclinación do substrato; o ancho da capa de revestimento aumenta co aumento do ángulo de inclinación e a altura primeiro aumenta e despois diminúe; co aumento do ángulo de inclinación do substrato, a compoñente da gravidade da capa de revestimento faise cada vez máis grande e a compensación do vértice aumenta gradualmente.

2.4 Fonte de calor elipsoidal

A distribución de enerxía na piscina fundida no revestimento láser non é moitas veces un corpo de rotación gaussiano tridimensional. Para simular con maior precisión o tamaño e a forma da piscina fundida, proponse unha fonte de calor corporal de distribución elipsoidal. Hai dous tipos de fontes de calor elipsoidal: unha única fonte de calor elipsoidal con simetría de fronte a atrás e unha fonte de calor elipsoidal dobre con diferente distribución de enerxía de fronte a atrás. Nos primeiros días, algúns estudosos propuxeron unha fonte de calor hemisférica [27], e a súa función de distribución de enerxía é: ver fórmula (6) na figura. Onde: q(x,y,z) é a densidade de fluxo de calor do punto (x,y,z) do sistema de coordenadas; c é o raio da esfera; Q é a taxa de entrada de calor.

Segundo un gran número de observacións experimentais, a fonte de calor real non está distribuída simétricamente por diante e por detrás. Polo tanto, os investigadores propuxeron unha fonte de calor dobre elipsoide (como se mostra na Figura 14), sendo as partes dianteira e traseira dous elipsoides de 1/4 respectivamente.

As súas funcións de distribución de enerxía dianteira e traseira son: Ver fórmula (7) na figura. Onde: qf e qr son a distribución do fluxo de calor nos semielipsoides dianteiro e traseiro respectivamente; af e ar son os semieixes dos semielipsoides dianteiro e traseiro respectivamente; bh e ch son os outros dous semieixes dos semielipsoides dianteiro e traseiro respectivamente, e os dous semieixes curtos dos dous elipsoides son iguais; ff e fr son as partes da entrada de calor nos semielipsoides dianteiro e traseiro respectivamente, e ff + fr = 1.

Debido ao gran tamaño da piscina fundida xerada pola fonte de calor elipsoide, úsase amplamente na simulación numérica de procesos de procesamento con láser como a soldadura con láser [29-30] e o revestimento láser preestablecido. Hocine et al. [31] analizou as diferenzas entre tres modelos de fonte de calor (fonte de calor elipsoide, fonte de calor dobre elipsoide e fonte de calor cilíndrica) para simular a evolución do campo de temperatura e o contorno da piscina fundida na fusión selectiva con láser. Os resultados mostraron que os tres modelos de fonte de calor teñen as súas propias vantaxes únicas para calcular o campo de temperatura e o contorno da piscina fundida. A fonte de calor cilíndrica é adecuada para calcular o campo de temperatura da piscina fundida, mentres que a fonte de calor elipsoide ten unha maior precisión para calcular o contorno da piscina fundida. Luo Xinlei et al. [32] utilizou ANSYS APDL para simular o campo de temperatura da fusión selectiva dun láser dunha canle e comparou os resultados da simulación baixo a fonte de calor de superficie gaussiana e a fonte de calor dobre elipsoide. Os resultados mostran que a fonte de calor dobre elipsoide ten un mellor acordo cos resultados experimentais que a fonte de calor de superficie gaussiana porque a súa distribución de enerxía está máis próxima á fonte de calor real do láser. No proceso de fusión selectiva do láser, sen cambiar a densidade de enerxía de entrada do láser, o aumento da potencia do láser e da velocidade de dixitalización aumentarán significativamente a profundidade e o ancho da piscina fundida, como se mostra na Figura 15.

Algúns estudosos tamén realizaron investigacións en profundidade sobre os cambios de campo de temperatura da piscina fundida baixo diferentes parámetros de proceso. Hao Xiaojie [33] utilizou o software ABAQUS para analizar a variación do campo de temperatura durante a fusión selectiva con láser. Utilizou unha fonte de calor dobre elipsoide, que distribuíu a entrada de enerxía do láser nun determinado volume e aplicouna aos nodos do modelo de material en forma de densidade de fluxo de calor. Estudou a influencia de diferentes parámetros do proceso no campo de temperatura durante a fusión con láser. Cando só aumenta a potencia do láser, a taxa media de quecemento e refrixeración na piscina fundida e o tamaño da piscina fundida aumentan en consecuencia; cando só aumenta a velocidade de exploración, a taxa media de quecemento e refrixeración na piscina fundida aumentan de forma constante, mentres que o tamaño da piscina fundida diminúe relativamente; o espazo de exploración afecta ao efecto de refusión entre as canles de fusión, mentres que o grosor do po afecta ao efecto de unión entre as capas de exploración.

2.5 Fonte de calor combinada

A fonte de calor de distribución de volume único simplifica a lei de distribución da fonte de calor na dirección da profundidade da piscina fundida e non distingue a diferenza de distribución da enerxía láser na superficie e no interior da piscina fundida [34]. Polo tanto, derívanse fontes de calor combinadas, como a fonte de calor corporal segmentada, a fonte de calor combinada de dobre cono elipsoide e a fonte de calor combinada que combina a fonte de calor superficial gaussiana e a fonte de calor corporal. A fonte de calor combinada combina as vantaxes da fonte de calor superficial e da fonte de calor corporal, está máis en liña coas condicións reais de traballo e ten unha maior precisión de simulación. Na fonte de calor combinada, a fonte de calor superficial é xeralmente unha fonte de calor de superficie de distribución de fluxo de calor gaussiano, e a fonte de calor corporal é xeralmente unha fonte de calor de cilindro gaussiano atenuado linealmente ou unha fonte de calor corporal rotativa cun fluxo de calor decrecente [35].

Cai Haipeng et al. [36] mellorou a fonte de calor de soldadura en base á fonte de calor gaussiana en movemento, estableceu un modelo de fonte de calor segmentada, utilizou reixas grosas e unha segmentación adecuada da fonte de calor para calcular o problema de deformación da soldadura e combinou a tecnoloxía de reixa refinada local para simular o evolución do estrés. Wang Qibing et al. [37] utilizou unha fonte de calor combinada que combina a parte superior da fonte de calor dobre elipsoide e a parte inferior da fonte de calor do corpo rotativo gaussiano para simular o campo de calor e fluxo da piscina fundida durante a soldadura híbrida láser-MIG do aceiro Invar. Os resultados mostraron que a distribución do campo de temperatura da piscina fundida simulada pola fonte de calor combinada era basicamente consistente cos resultados experimentais reais. Xie Yinkai et al. [38] estableceu unha fonte de calor combinada dunha fonte de calor de corpo rotativo parabólico (metade inferior) e unha fonte de calor cilíndrica (metade superior) (como se mostra na Figura 16) para simular as perturbacións específicas do tamaño da piscina fundida, o fluxo de fusión e o gas. -Interface libre de líquidos durante a fusión selectiva con láser. No revestimento dun só paso, a velocidade de exploración e o grosor da capa de po dominan os factores de formación de poros. Para o revestimento de varias pasadas, os factores que afectan á formación de poros son principalmente o espazo de dixitalización e o número de poros aumenta co aumento do espazo de exploración.

Wang Yiwen et al. [39] estableceu un modelo numérico simétrico tridimensional para o movemento transitorio e a transferencia de calor e masa da piscina fundida baseado no software Fluent. Usando unha fonte de calor gaussiana hemisférica tridimensional, analizouse o proceso de evolución e o comportamento do fluxo da interface líquido/gas da piscina fundida baixo diferentes parámetros do proceso, e estableceuse a relación entre o fluxo, a temperatura e o tamaño da piscina fundida e a calidade da superficie, como se mostra. nas figuras 17 e 18, respectivamente. Os resultados mostran que a morfoloxía da capa de revestimento dun só paso obtida polo experimento e a simulación é similar. Despois de que se forma unha piscina fundida estable, o fluído da piscina fundida flúe desde a zona de alta temperatura á zona de baixa temperatura en forma radial e o caudal aumenta gradualmente desde o medio cara ao exterior. A cámara monitoriza o fluxo da escoura en tempo real e a dirección do fluxo do campo de fluxo simulado é consistente.

2.6 Outros modelos de fonte de calor

Co desenvolvemento da tecnoloxía informática, algúns estudosos optimizaron aínda máis o modelo de fonte de calor existente segundo as condicións reais de traballo e estableceron un novo modelo de fonte de calor. Ademais, tamén se poden conseguir simulacións numéricas nalgunhas condicións especiais de procesamento mediante modelos específicos de fonte de calor, como o modelo de fonte de calor de feixe láser de banda ancha, o modelo de fonte de calor de anel oco, etc.

Lei Dingzhong et al. [40] utilizou o software TracePro para simular e analizar o camiño da luz e a distribución do fluxo luminoso puntual enfocado W formado pola boquilla de revestimento de láser de banda ancha con alimentación de po na luz, e estableceu un modelo matemático tridimensional da banda ancha de anel oco. láser na superficie do espello. Tseng et al. [41] propuxo un modelo de fonte de calor láser baseado no software SYSWELD, analizou exhaustivamente a influencia das características do raio láser e dos parámetros do proceso no campo de temperatura e na forma da capa de revestimento e deseñou un modelo numérico para a verificación experimental de revestimento láser, que pode aplicarse á simulación numérica doutros procesos de procesamento con láser. Liu et al. [42] estableceu un modelo de fonte de calor de feixe láser de banda ancha, e a súa función de distribución de enerxía é: ver a fórmula (8) na figura.
Onde: I0=αβP/(wd). α é o coeficiente de absorción do láser, α=0.75; β é a eficiencia energética, β=0.98; P é a potencia do láser; d é o ancho do punto láser de banda ancha, d=1.5 mm; w é a lonxitude do punto láser de banda ancha, w=15 mm. Liu et al. [42] estudou o campo de temperatura e o campo de tensión dunha capa de revestimento de paso único en revestimento láser de feixe amplo, onde a distribución do campo de temperatura se mostra na Figura 19. En combinación cos datos de temperatura, a lonxitude, ancho e profundidade do fundido. calcularon a piscina. Ao mesmo tempo, discutíronse os efectos dos parámetros do proceso como a potencia do láser e a velocidade de exploración sobre o tamaño da piscina fundida, o gradiente de temperatura, a velocidade de arrefriamento e a taxa de solidificación. Ademais, tamén se estudou a distribución do campo de tensión térmica da capa de revestimento en diferentes direccións e en diferentes camiños.

Feng Yiqi [43] estableceu un modelo selectivo de mecánica de fluídos de piscinas fundidas con láser de fusión. En función das características de atenuación de enerxía do láser dentro do leito de po, na simulación utilizouse unha fonte de calor corporal de atenuación da intensidade do láser: ver fórmula (9) na figura.
Os resultados da simulación do modelo de dispersión de po importáronse ao modelo de mecánica de fluídos da piscina fundida para predecir o comportamento do fluxo da piscina fundida, e realizouse unha análise en profundidade da relación entre o comportamento do fluxo, os buratos e o efecto de esferoidización do fundido. piscina en revestimento multipaso. Os resultados mostran que a superficie inferior do material aditivo ten unha distribución de po máis densa que a superficie inferior plana. Debido á gran incerteza do fluxo da piscina de fusión, o fenómeno de esferoidización prodúcese principalmente na superficie inferior do material aditivo, e os buracos non fundidos prodúcense principalmente no pescozo da canle de fusión entre varias capas de revestimento, como se mostra na Figura 20.

Canción et al. [44] considerou exhaustivamente o efecto de atenuación da interacción entre o chorro de po e o láser e o efecto do disipador de calor das partículas de po sen fundir que entran na piscina fundida. Baseándose no software COMSOL, estableceuse un modelo de fonte de calor para simular o fluxo de fusión e a tensión superficial da interface gas-líquido. O campo de temperatura e a distribución do campo de fluxo móstranse na Figura 21. Ao mesmo tempo, previuse a curvatura da superficie libre da piscina fundida e o tamaño da capa de revestimento. En tres direccións de sección transversal diferentes, a dirección do gradiente de temperatura simulado é consistente coa dirección do crecemento do gran. A verificación experimental do ancho da capa de revestimento, a altura e a profundidade da piscina fundida mostra que, baixo os parámetros do proceso, tendo en conta a influencia de diferentes potencias de láser, velocidades de varrido láser e taxas de alimentación de po, o erro máximo entre os resultados da simulación e os resultados experimentais é do 10%.

Xu Jiachao et al. [45] estableceu un modelo matemático tridimensional dunha fonte de calor láser de anel oco combinando a idea dun corpo xeométrico de revolución e obtivo a súa fórmula analítica matemática do seguinte xeito: ver fórmula (10) na figura.

Onde: f1 é o coeficiente de conversión de enerxía, f1≤1; Q é a potencia de entrada de calor, W; μ é a posición do pico de enerxía, que normalmente está situada no centro da área do anel, é dicir, μ=(R+r)/2; a é 1/2 do ancho do anel, é dicir, (Rr)/2; R e r son o diámetro exterior e o diámetro interior da mancha do anel, mm; c é a profundidade da fonte de luz, mm. Determináronse experimentalmente os parámetros relevantes do modelo de fonte de calor e cargouse o modelo baseándose no software COMSOL para simular a distribución do campo de temperatura transitoria e a curva do ciclo térmico do revestimento láser de anel. O pico de temperatura e o val pico diminúen e aumentan respectivamente debido á acumulación de calor e á condución da calor. A medida que aumenta a altura da capa, a área de aumento da temperatura da capa depositada faise plana.

En resumo, na Táboa 1 resúmense os ambientes aplicables de varios modelos de fontes de calor láser amplamente utilizados. Na simulación do campo de temperatura, as tendencias de distribución do campo de temperatura obtidas por diferentes modelos son similares, todos en forma de cometas elípticos e a principal diferenza. é as diferentes zonas de alta temperatura; na simulación do campo de fluxo, a distribución global do campo de fluxo da piscina fundida obtida por diferentes modelos de fonte de calor é similar e a zona de alta velocidade tamén se concentra no centro da piscina fundida. A principal diferenza é que o tamaño da piscina fundida é diferente e o modelo de fonte de calor cunha distribución de enerxía máis dispersa obtén unha profundidade e un ancho de fusión máis pequenos. Debido a que os parámetros do proceso son complexos no proceso de revestimento real, a táboa 1 é só para referencia, e o modelo de fonte de calor debe seleccionarse razoablemente segundo as condicións experimentais reais.

3 Progreso da investigación da superficie líquida libre na simulación numérica de revestimento láser

No proceso de revestimento con láser, a superficie líquida libre da piscina fundida está en contacto directo co aire, que se ve afectado principalmente pola tensión superficial e determina directamente o perfil de tamaño da capa de revestimento. Na actualidade, os métodos principais para estudar a superficie libre da piscina fundida inclúen o método de conxunto de niveis baseado en reixas fixas, o método de volume de fluído, o método de conxunto de niveis acoplados e o método de volume de fluído, o método de campo de fase e Método arbitrario lagrangiano-euleriano baseado en cuadrículas móbiles.

3.1 Método de conxunto de niveis

O método de conxunto de niveis (LS), tamén coñecido como método da función isosuperficie[49], utiliza unha función de campo de distancia para describir a interface dinámica. O método Level Set foi proposto orixinalmente para estudar a interface do fluxo multifásico, e agora tamén se usa no recoñecemento de imaxes, a reconstrución de interfaces e outros campos. Liu et al.[50] utilizou o método Level Set para rastrexar a superficie libre do metal fundido na fusión selectiva con láser e descubriu que a perturbación inestable causada polo cambio de tensión superficial provocou depresións locais na superficie da piscina fundida, afectando así a rugosidade da superficie do revestimento. capa despois da formación. Non obstante, a disipación numérica do método LS é relativamente grave durante o cálculo, o que é propenso a problemas de non conservación da masa.

3.2 Método do volume de fluído

O método Volume of Fluid (VOF) describe a interface libre definindo unha función de fracción de volume e reconstrúe a interface resolvendo a fracción de volume nunha única cuadrícula. O método VOF ten unha mellor conservación de masa que o método LS. Ye Chen [51] simulou e predixo o perfil de tamaño da capa de revestimento do revestimento láser baseándose no método VOF, e verificou os resultados da simulación mediante experimentos ortogonais. Os resultados da comparación dos tres grupos de datos, a saber, altura de fusión, profundidade de fusión e taxa de dilución, mostraron unha desviación dentro do 10%, o que demostrou a precisión do modelo numérico. Non obstante, a precisión da interface libre construída polo método VOF non é o suficientemente alta e o fluxo na dirección normal da interface non se pode seguir con precisión [52]. Wen Baoxian et al. [53] estableceu un modelo de fonte de calor corporal de distribución de enerxía láser no leito de po baseado na lei de propagación do feixe de luz no medio de po baseado no software fluente, e modificou o método clásico VOF e propuxo un método VOF que pode utilizarse para simular o fenómeno de colapso despois da fusión do po. Os resultados do cálculo mostran que o cambio no volume da capa de po afectará ao campo de temperatura e ao campo de velocidade da piscina fundida e os seus arredores, así como á morfoloxía final da peza.

3.3 Método de conxunto de niveis acoplados e método de volume de fluído

O método Coupled Level-set with VOF (CLSVOF) combina as vantaxes do método LS e do método VOF, e ten unha boa precisión de reconstrución da interface e conservación de masa. Wei et al. [54] combinou o método LS e o método VOF para propoñer un modelo de fluxo multifásico acoplado para estudar a transferencia de calor e masa durante a deposición de fío quente con láser e o fluxo da superficie libre. O modelo pode capturar as flutuacións sutís da interface gas/líquido tan pequenas como uns 0.03 mm. Wang Xiangyu et al. [55] utilizou o método CLSVOF para predecir o cambio da superficie de líquido libre da piscina fundida, analizou a transferencia de masa dentro da piscina fundida e propuxo un modelo de fluxo multifásico para simular o microfluxo do revestimento láser de materiais heteroxéneos. As desviacións entre o experimento e a simulación estaban dentro do 9%. Ademais, no campo da fusión selectiva con láser, Thorsten Heeling et al. [56] estableceu un modelo de simulación numérica da piscina fundida baseado no método CLSVOF. Ao analizar o tamaño da piscina fundida obtida mediante simulación e experimento, comprobouse que a desviación da profundidade da piscina fundida aumentou co aumento da velocidade de exploración, mentres que a desviación do tamaño da sección transversal diminuíu co aumento da velocidade de exploración.

3.4 Método de campo de fase

O método do campo de fases (PF) baséase na teoría de Ginzburg-Landau e resolve os cambios transitorios da interface mediante ecuacións diferenciais [57]. A diferenza do método VOF, non require reconstrución da interface. En comparación co método LS, non require unha inicialización tediosa da función de distancia. A cantidade de cálculo é relativamente pequena e ten vantaxes únicas para tratar problemas de superficie de líquido libre con escalas máis pequenas ou sensibilidade á tensión superficial elevada. Jin et al. [58] estableceu un modelo de simulación numérica bidimensional da fusión do leito de po láser baseado no método do campo de fase e descubriu que o efecto Marangoni fará que se formen burbullas na piscina fundida. O proceso de refusión e o aumento da potencia do láser poden axudar a eliminar os poros, como se mostra na Figura 22.

3.5 Métodos arbitrarios de Lagrangiano e Euler

O método Lagrangiano-Euleriano Arbitrario (ALE) rastrexa a interface dinámica a través da función de movemento da interface. Combina as vantaxes dos dous métodos de descrición, lagrangiano e euleriano, e ten vantaxes obvias ao tratar con superficies líquidas libres de alta precisión e problemas de acoplamento fluído-sólido. Baseándose no método ALE, Tian et al. [59] utilizou o software COMSOL para establecer un modelo de elementos finitos de transferencia de calor e fluxo de fluído que contén múltiples parámetros físicos, e explorou a influencia de diferentes parámetros do proceso na taxa de dilución e na xeometría da piscina fundida. Os resultados mostran que dentro dun determinado intervalo, a taxa de dilución está relacionada linealmente coa relación enerxía-masa relativa. Ademais, co aumento da relación enerxía-masa relativa, acompañado do fluxo do fluído na piscina fundida, a interface sólido-líquido en forma de arco no fondo da piscina fundida cambia gradualmente de pouco profunda a profunda, como se mostra na figura 23. Gan et al. [60] estableceu un modelo multifásico de transferencia de calor e masa para a deposición directa con láser, e utilizou o método ALE baseado na tecnoloxía de malla dinámica para rastrexar os cambios dinámicos da superficie da piscina fundida, e calculou o perfil de tamaño da piscina fundida e a distribución da composición, o que indica que a convección é o principal mecanismo de transferencia de masa dos elementos de aliaxe na piscina fundida.
En resumo, as vantaxes e desvantaxes dos métodos de seguimento de superficies líquidas libres anteriores resúmense na táboa 2.

4 Verificación do modelo de simulación de piscina fundida de revestimento láser

No estudo da simulación numérica de revestimento con láser, é necesario establecer un modelo de análise numérica razoable e verificar o modelo. A verificación do modelo actual realízase principalmente mediante a adquisición de sinais de temperatura, imaxes e outros sinais de piscina fundida, utilizando tecnoloxía informática para o procesamento de sinais e, finalmente, comparando e verificando con datos de simulación de campo de temperatura e campo de fluxo.

4.1 Verificación de campo de temperatura

A detección de temperatura da piscina fundida do revestimento láser divídese en detección de contacto e detección sen contacto [62]. A detección de temperatura de contacto de uso común é principalmente a través da medición da temperatura de termopar e o elemento sensor de temperatura está en contacto directo co obxectivo que se vai medir. A vantaxe é un funcionamento sinxelo e unha alta precisión de detección. Li Yanmin et al. [63] utilizaron termopares para medir a temperatura do substrato, e combináronse cunha simulación numérica para analizar a distribución da temperatura no interior da piscina fundida, e obtiveron aproximadamente o cambio de temperatura da piscina fundida. Dado que a temperatura no centro da piscina fundida do revestimento láser é demasiado alta, o elemento sensor de temperatura non pode medir a temperatura no centro da piscina fundida e o ambiente de traballo a longo prazo a alta temperatura reducirá moito a vida útil do equipos de detección. Polo tanto, a detección de temperatura da piscina fundida corrente adopta a medición de temperatura sen contacto. A medición da temperatura sen contacto da piscina fundida do revestimento con láser inclúe principalmente a medición de temperatura monocromática, a medición colorimétrica de temperatura e a adquisición de sinal de imaxe e medición de temperatura a través do CCD [64]. Peng Cheng et al. [65] utilizou o software ANSYS para simular a distribución do campo de temperatura durante o proceso de formación do revestimento de paredes delgadas de aliaxe de titanio, e deseñou un sistema de detección en liña da temperatura da piscina fundida de revestimento láser de anel oco mediante un termómetro de dúas cores, mediu a temperatura real e comprobou os resultados da simulación. Os resultados mostran que a medida que a capa de deposición se acumula cara arriba, o fenómeno de acumulación de calor faise máis grave. Forien et al. [66] deseñou un sistema de detección in situ para a piscina fundida no proceso de fusión do leito de po láser mediante a medición de temperatura de díodos a alta temperatura e tecnoloxía de imaxes de alta velocidade. Descubriron que o cambio no sinal do pirómetro estaba relacionado coa área de formación de poros e a probabilidade de formación de poros aumentou drasticamente na zona de transición do sinal de alta temperatura (5% ~ 95%).

4.2 Verificación do campo de fluxo

A verificación do campo de fluxo da piscina fundida inclúe principalmente dous tipos: detección in situ e detección non in situ. A detección in situ utiliza principalmente unha cámara CCD ou unha cámara CMOS para obter a imaxe da morfoloxía da superficie da piscina fundida en tempo real durante o proceso de revestimento con láser. Despois do procesamento da imaxe, compárase cos datos da simulación para a súa verificación. Wirth et al. [67] deseñou un sistema de adquisición de imaxes en liña de cámara de alta velocidade con revestimento láser (como se mostra na Figura 24) para obter a lei de fluxo da superficie da piscina fundida e a velocidade de movemento das partículas. A análise descubriu que a dirección do fluxo local da piscina fundida está afectada polos parámetros do proceso e ten unha certa aleatoriedade. Na maioría das simulacións numéricas, a hipótese de que o fluído na piscina fundida é de fluxo laminar terá un certo impacto nos resultados da simulación. Huang Jiankang et al. [68] utilizou o método de rastrexo de partículas combinado co sistema de imaxe de espello de piscina fundida para estudar o comportamento do fluxo da superficie da piscina fundida mediante soldadura TIG. Ao calibrar a relación de mapeo entre o ancho real da piscina fundida e o ancho de píxeles dos datos de vídeo, calcularon que a velocidade de fluxo da superficie da piscina fundida era duns 12 mm/s (aceiro inoxidable 304) e 15 mm/s (carbono Q235). aceiro). A detección non in situ detecta principalmente o perfil de tamaño e as propiedades mecánicas das mostras experimentais e, a continuación, compáraas cos datos da simulación para a súa verificación. Wu Jiazhu [68] estudou o mecanismo de transferencia de fluxo de calor do proceso de deposición directa de metal con láser, mediu a profundidade de fusión da mostra e a altura da capa de deposición obtidas polo experimento e comparounos cos datos do perfil da forma da piscina fundida obtidos por simulación, verificando que o modelo ten unha alta precisión de predición (≥95%).

5 Resumo e perspectivas

O campo de temperatura e a simulación do campo de fluxo do revestimento láser son propicios para revelar as características dinámicas metalúrxicas da piscina fundida, pero aínda hai os seguintes problemas:

1) No estudo da simulación do campo de fluxo da piscina fundida, as condicións de contorno non son perfectas. Xeralmente, só se consideran a tensión superficial, a gravidade e a flotabilidade da piscina fundida para as forzas sobre o fluído na piscina fundida, e considéranse menos a presión do gas protector e o impacto das partículas de po sen fundir na superficie da piscina fundida. .

2) No proceso de estudar os cambios no campo de temperatura e no campo de fluxo dentro da piscina fundida, algúns estudiosos predefinirán a forma da capa de revestimento con antelación ou asumirán que a piscina fundida está situada no plano ao establecer o modelo de elementos finitos. , ignorando a superficie libre do líquido/gas fundido da piscina, o que limita a precisión destes modelos para a análise do movemento da piscina fundida e da interface líquido/gas, así como o estudo do mecanismo de fluxo da piscina fundida.

3) A maioría dos estudos baséanse en substratos horizontais, pero as pezas que hai que reparar adoitan ser de forma complexa e en superficies de base non horizontais. Polo tanto, o revestimento con láser en superficies de base non horizontais necesita máis investigación.

Á vista das deficiencias anteriores, proponse as seguintes medidas de mellora.

1) Mellorar as condicións de contorno. A presión do gas protector mídese experimentalmente, cuantificase e engádese á superficie da piscina fundida como condición de límite.

2) Mellorar o modelo numérico. A investigación de simulación do campo de fluxo de po da boquilla de revestimento láser xa está moi madura. Podemos tentar combinar o modelo de fase discreta para engadir simultaneamente materiais en po para formar a capa de revestimento durante o proceso de simulación e establecer un modelo de transferencia de calor e masa de fluxo multifásico adecuado.

3) O mecanismo de formación e o proceso de evolución da capa de revestimento deben ser analizados en combinación coa forza interna da piscina fundida, e unha explicación científica do comportamento do fluxo e os cambios morfolóxicos da piscina fundida baixo postura variable será a próxima investigación clave. dirección.