लेजर क्लैडिंग पिघले हुए पूल पर कार्य करने वाले बलों का संक्षेप में वर्णन किया गया है, जिसमें सतह तनाव, चिपचिपा कतरनी बल, गुरुत्वाकर्षण और परिरक्षण गैस का दबाव शामिल है, और क्लैडिंग परत के गठन तंत्र का ऊतक विकास और पिघले हुए पूल प्रवाह के परिप्रेक्ष्य से संक्षेप में विश्लेषण किया गया है। इसी समय, लेजर क्लैडिंग सिमुलेशन में उपयोग किए जाने वाले विभिन्न ताप स्रोत मॉडल के ऊर्जा वितरण कानूनों और समीकरणों को संक्षेप में प्रस्तुत किया गया है, जिसमें सतह गॉसियन ताप स्रोत, सतह कुंडलाकार ताप स्रोत, गॉसियन बॉडी हीट स्रोत, दीर्घवृत्ताकार ताप स्रोत और संयुक्त बॉडी हीट स्रोत शामिल हैं। इस आधार पर, तापमान क्षेत्र और प्रवाह क्षेत्र के संख्यात्मक सिमुलेशन में अनुसंधान प्रगति लेजर क्लैडिंग हाल के वर्षों में देश और विदेश में पिघले हुए पूल का वर्गीकरण और समीक्षा की गई है, और विभिन्न ताप स्रोत मॉडल के फायदे और नुकसान का विश्लेषण किया गया है। विभिन्न ताप स्रोतों के लागू वातावरण और प्राप्त तापमान क्षेत्र और प्रवाह क्षेत्र के वितरण कानूनों का सारांश दिया गया है। इसके अलावा, पिघले हुए पूल की मुक्त तरल सतह के अनुसंधान विधियों का सारांश दिया गया है, और तापमान क्षेत्र और प्रवाह क्षेत्र के संख्यात्मक सिमुलेशन मॉडल के सत्यापन के तरीकों का सारांश दिया गया है। साथ ही, लेजर क्लैडिंग पिघले हुए पूल के संख्यात्मक सिमुलेशन अनुसंधान में मौजूद समस्याओं को देखते हुए, उन्हें संख्यात्मक मॉडल और सीमा स्थितियों के पहलुओं से संक्षेप में प्रस्तुत किया गया है, और अंत में भविष्य के विकास की दिशा का पूर्वानुमान लगाया गया है।

लेजर क्लैडिंग सतह संशोधन और सामग्री की मरम्मत के लिए एक नई प्रक्रिया है। यह पाउडर फैलाकर या खिलाकर सब्सट्रेट सतह पर क्लैडिंग सामग्री जोड़ता है, और सब्सट्रेट सतह पर अच्छे धातुकर्म संबंध के साथ क्लैडिंग परत बनाने के लिए क्लैडिंग परत सामग्री को जल्दी से पिघलाने के लिए एक उच्च-ऊर्जा लेजर बीम का उपयोग करता है, जिससे सब्सट्रेट सतह की संरचना बदल जाती है और सामग्री के सतह गुणों में सुधार होता है [1]। लेजर क्लैडिंग प्रक्रिया के दौरान, पिघला हुआ पूल गैर-स्थिर होता है और मारंगोनी प्रवाह, पाउडर इंजेक्शन, पाउडर वितरण, परिरक्षण गैस में अशांति और चर प्रसंस्करण मापदंडों से परेशान होगा [2]। बड़ी संख्या में अध्ययनों से पता चला है कि सतह के तनाव से प्रेरित मारंगोनी बल का पिघले हुए पूल के प्रवाह पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है [3-4], जो क्लैडिंग परत की आकृति विज्ञान और कमजोर पड़ने को निर्धारित करने में भी एक महत्वपूर्ण कारक है। पिघले हुए पूल में प्रवाह व्यवहार का सामग्री संरचना के विकास पर सीधा प्रभाव पड़ता है। तरल पिघले हुए पूल की द्रव गतिशीलता और ज्यामितीय विकास सीधे एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग सामग्री के यांत्रिक गुणों से संबंधित हैं। चूंकि पिघला हुआ पूल बेहद कम समय में बनता है और पिघले हुए पूल का आकार छोटा होता है, इसलिए प्रयोग के दौरान वास्तविक समय में पिघले हुए पूल के तात्कालिक विकास की सटीक निगरानी करना लगभग असंभव है। इसलिए, कंप्यूटर प्रौद्योगिकी के विकास के साथ, परिमित तत्व सिमुलेशन के माध्यम से पिघले हुए पूल के अंदर गतिशील प्रवाह व्यवहार का संख्यात्मक सिमुलेशन मुख्यधारा बन गया है। लेजर क्लैडिंग पिघले हुए पूल के संख्यात्मक सिमुलेशन में, एक उचित ताप स्रोत मॉडल सटीक संख्यात्मक सिमुलेशन परिणाम प्राप्त करने की कुंजी है। आम तौर पर, वास्तविक कार्य स्थितियों द्वारा आवश्यक लेजर ताप स्रोत के अनुसार संबंधित ताप स्रोत मॉडल स्थापित किया जाता है। सामग्री की विलुप्ति लंबाई मुख्य रूप से एक विशिष्ट लेजर तरंग दैर्ध्य के लिए सामग्री के अवशोषण गुणांक पर निर्भर करती है। लेजर के लिए सामग्री की विलुप्ति लंबाई के अनुसार, लेजर क्लैडिंग प्रक्रिया में ताप स्रोत मॉडल को सतह ताप स्रोत और शरीर ताप स्रोत में विभाजित किया जा सकता है। यदि लेजर सामग्री की सतह पर कार्य करता है, तो संचरण की थोड़ी दूरी के बाद लेजर ऊर्जा 0 हो जाती है। यह माना जा सकता है कि ऊर्जा पूरी तरह से सामग्री की सतह पर अवशोषित होती है, और मैट्रिक्स सामग्री द्वारा लेजर ऊर्जा के अवशोषण को सतह अवशोषण कहा जा सकता है; यदि संचरण गहराई गहरी है, यहां तक ​​कि सामग्री की मोटाई से अधिक है, तो इसे शरीर अवशोषण कहा जा सकता है [5]।

यह पत्र सबसे पहले लेजर क्लैडिंग पिघले हुए पूल के गठन तंत्र का संक्षेप में वर्णन करता है, और फिर कई व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले ताप स्रोत मॉडल के तहत लेजर क्लैडिंग पिघले हुए पूल संख्यात्मक सिमुलेशन की अनुसंधान प्रगति को वर्गीकृत और समीक्षा करता है, विभिन्न ताप स्रोतों के तहत पिघले हुए पूल तापमान क्षेत्र और प्रवाह क्षेत्र संख्यात्मक सिमुलेशन की अनुसंधान स्थिति का सारांश देता है, और अंत में लेजर क्लैडिंग के पिघले हुए पूल सिमुलेशन समस्या की ओर देखता है।

1 लेजर क्लैडिंग पिघले हुए पूल का निर्माण तंत्र

लेजर क्लैडिंग प्रक्रिया के दौरान, लेजर इनपुट का ऊर्जा घनत्व अधिक होता है। ऊष्मा चालन और संवहन पिघले हुए पूल के भौतिक विकास को नियंत्रित करते हैं और पिघले हुए पूल में तापमान क्षेत्र और प्रवाह क्षेत्र वितरण को सीधे निर्धारित करते हैं। लेजर क्लैडिंग पिघला हुआ पूल बहुत ही कम समय में संतुलन तक पहुँच सकता है, जिसमें एक बड़ा तापमान ढाल और तेज़ चक्रीय संवहन होता है। केंद्रित लेजर बीम को धातु सब्सट्रेट पर विकिरणित किया जाता है, सब्सट्रेट का तापमान बढ़ जाता है, और यह पिघल कर पिघला हुआ पूल बन जाता है। नोजल पिघले हुए पूल में धातु के पाउडर को समकालिक रूप से स्प्रे करता है। पिघले हुए पूल में तरल धातु मैरंगोनी तनाव की क्रिया के तहत संवहन करती है। पिघले हुए पूल के अंदर का तापमान धीरे-धीरे एक समान हो जाता है। पिघले हुए पदार्थ पिघले हुए पूल के किनारे तक बहते हैं, पिघले हुए पूल की सतह तक पहुँचते हैं, और एक क्लैडिंग परत बनाने के लिए जम जाते हैं। सॉन्ग एट अल। [6] ने पिघले हुए पूल के गठन, आंतरिक संवहन पैटर्न और क्लैडिंग परत के जमने के व्यवहार का विश्लेषण किया।

पिघले हुए पूल में बल जटिल होते हैं। पिघले हुए पूल में तरल पदार्थ के प्रवाह के लिए मुख्य प्रेरक शक्ति मारंगोनी प्रवाह है जो उछाल और सतह तनाव ढाल और चिपचिपा कतरनी बल [7] के बीच संतुलन से उत्पन्न होता है। शी जियानजुन [8] ने पिघले हुए पूल के त्रि-आयामी बल का विश्लेषण किया। पिघले हुए पूल का बल विश्लेषण चित्र 1 में दिखाया गया है, जिसमें मुख्य रूप से सतह तनाव Fγ, चिपचिपा कतरनी बल Fμ, गुरुत्वाकर्षण G और परिरक्षण गैस दबाव Fp शामिल हैं, और θ सब्सट्रेट विक्षेपण कोण है। सतह तनाव, गुरुत्वाकर्षण, चिपचिपा कतरनी बल और परिरक्षण गैस दबाव की संयुक्त कार्रवाई के तहत, पिघली हुई धातु एक गतिशील रूप से संतुलित धातु पिघला हुआ पूल बनाती है। उनमें से, सतह तनाव का पिघले हुए पूल पर सबसे अधिक प्रभाव पड़ता है

2 लेजर क्लैडिंग के संख्यात्मक सिमुलेशन के लिए ताप स्रोत मॉडल की अनुसंधान प्रगति

2.1 सतही गाऊसी ऊष्मा स्रोत

वर्तमान में, लेजर क्लैडिंग के अधिकांश संख्यात्मक सिमुलेशन गॉसियन हीट सोर्स मॉडल का उपयोग करते हैं, जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है। लेजर ऊर्जा सामान्य रूप से अंतरिक्ष में वितरित की जाती है, केंद्र में अधिक और किनारे पर कम, जो वास्तविक प्रसंस्करण प्रक्रिया के अनुरूप है। हालांकि, पिघले हुए पूल की गहराई की दिशा में ऊर्जा वितरण को नजरअंदाज कर दिया जाता है, इसलिए यह गहरे पिघले हुए पूल के साथ काम करने की स्थिति के लिए उपयुक्त नहीं है।

ऊष्मा प्रवाह घनत्व समीकरण की अभिव्यक्ति है: चित्र में सूत्र (1) और (2) देखें। जहाँ: q(r) त्रिज्या r पर सतही ऊष्मा प्रवाह है, W/m2; R स्पॉट के केंद्र से दूरी है, m; c ऊष्मा प्रवाह सांद्रता गुणांक है, m2; qm ऊष्मा स्रोत के केंद्र पर अधिकतम ऊष्मा प्रवाह है, W/m2; P लेज़र शक्ति है, W; η लेज़र उपयोग दर है।

गाऊसी सतह ताप स्रोत छोटे पिघले हुए पूल की चौड़ाई और गहराई और क्लैडिंग परत की मोटाई के साथ प्रसंस्करण की स्थिति के लिए उपयुक्त है। पिघले हुए पूल तापमान क्षेत्र के संख्यात्मक सिमुलेशन के लिए, वांग झिजियान एट अल। [10] ने टीसी4 टाइटेनियम मिश्र धातु के सिंगल-पास सिंगल-लेयर लेजर पिघले हुए पूल के जमने की प्रक्रिया को संख्यात्मक रूप से अनुकरण करने के लिए गाऊसी सतह ताप स्रोत का उपयोग किया। अध्ययन में पाया गया कि सिंगल-पास लेजर क्लैडिंग में, पूंछ पर तेजी से गर्मी हस्तांतरण के कारण, पिघले हुए पूल के सामने के छोर पर गर्मी पीछे के छोर की तुलना में अधिक केंद्रित होती है, और पिघली हुई गहराई अधिक होती है। लेजर शक्ति की वृद्धि के साथ, ऊर्जा इनपुट में वृद्धि के कारण पिघले हुए पूल की गहराई और गर्मी प्रभावित क्षेत्र की सीमा धीरे-धीरे बढ़ जाती है परिणाम दर्शाते हैं कि पिघला हुआ पूल सामने की ओर अण्डाकार है और एक फैली हुई पूंछ के साथ धूमकेतु के आकार का है। लेजर शक्ति की वृद्धि के साथ पिघले हुए पूल की चौड़ाई बढ़ जाती है (जैसा कि चित्र 11 में दिखाया गया है)। स्कैनिंग गति की वृद्धि के साथ शीतलन दर बढ़ जाती है, और लेजर शक्ति में वृद्धि से पिघले हुए पूल में तापमान ढाल बढ़ जाएगी, और शीतलन दर तदनुसार बढ़ जाएगी।

इसके अलावा, कुछ विद्वानों ने गॉसियन सतह ताप स्रोत के तहत पिघले हुए पूल के त्रि-आयामी आकारिकी सिमुलेशन का अध्ययन किया है। फल्लाह एट अल। [12] ने लेजर पाउडर जमाव के दौरान पिघले हुए पूल के आकार और आकारिकी विकास की भविष्यवाणी करने के लिए एक परिमित तत्व मॉडल क्षणिक सिमुलेशन का प्रस्ताव दिया। परिणामों से पता चला कि सिम्युलेटेड अनुमानित पिघले हुए पूल प्रोफ़ाइल प्रयोग के करीब थी,
लेकिन पिघले हुए पूल के तापमान क्षेत्र और प्रवाह क्षेत्र पर कोई विशिष्ट विश्लेषण नहीं किया गया था। गाओ एट अल। [13] ने लेजर क्लैडिंग के दौरान सिंगल-पास प्रसंस्करण के लिए एक त्रि-आयामी संख्यात्मक भविष्यवाणी मॉडल स्थापित किया। गॉसियन वितरण ताप स्रोत का उपयोग करना और जन्म और मृत्यु इकाई विधि के आधार पर, क्लैडिंग परत के ज्यामितीय आकार को पूर्व निर्धारित करने की आवश्यकता नहीं है। क्लैडिंग परत के क्षणिक तापमान क्षेत्र और ज्यामितीय संरचना की गणना एक साथ की जाती है। प्राप्त क्लैडिंग आकार प्रयोगात्मक परिणामों के साथ अच्छे समझौते में है, जैसा कि चित्र 4 में दिखाया गया है। इसके अलावा, उन्होंने तापमान क्षेत्र और क्लैडिंग परत के ज्यामितीय आकार पर प्रक्रिया मापदंडों के प्रभाव का भी विश्लेषण किया।

कुछ विद्वान पिघले हुए पूल प्रवाह क्षेत्र का अनुकरण करने के लिए गाऊसी सतह ताप स्रोत का उपयोग करते समय क्लैडिंग परत के त्रि-आयामी आकार को पहले से निर्धारित कर देंगे। लियू हान एट अल। [14] ने लेजर जमाव त्रि-आयामी गठन प्रक्रिया में तापमान क्षेत्र और तनाव क्षेत्र के संख्यात्मक सिमुलेशन अध्ययन में वास्तविक जमाव परत आकार समोच्च के आधार पर एक त्रि-आयामी मॉडल स्थापित किया। इस आधार पर, रेशम-पाउडर सिंक्रोनस लेजर जमाव पिघले हुए पूल का एक परिमित तत्व मॉडल स्थापित किया गया था, और पिघले हुए पूल प्रवाह क्षेत्र का वितरण कानून प्राप्त किया गया था। पिघले हुए पूल के क्रॉस सेक्शन पर दो सममित रूप से वितरित परिसंचरण बनते हैं, और दो रेडियल परिसंचरण उत्पन्न होते हैं, एक सामने मजबूत और एक पीछे कमजोर। [15] ने COMSOL सॉफ्टवेयर पर आधारित डिस्क लेजर क्लैडिंग प्रक्रिया का एक बहु-क्षेत्र युग्मन मॉडल स्थापित किया, और CALPHAD विधि का उपयोग करके सामग्री के थर्मल भौतिक गुणों की गणना की। गॉसियन सतह ताप स्रोत का उपयोग करते हुए, लेजर बीम और पाउडर के बीच की बातचीत और पिघले हुए पूल के अंदर तनाव की स्थिति पर व्यापक रूप से विचार किया गया, और डिस्क लेजर क्लैडिंग प्रक्रिया के दौरान तापमान क्षेत्र और प्रवाह क्षेत्र के परिवर्तन कानून को प्राप्त किया गया। पिघला हुआ पूल दीर्घवृत्ताकार होता है, और सबसे अधिक तापमान पिघले हुए पूल के केंद्र के पीछे होता है। क्लैडिंग के शुरुआती चरण में, पिघले हुए पूल की प्रवाह दर कम होती है, और पिघले हुए पूल के ऊर्जा हस्तांतरण में ऊष्मा चालन एक प्रमुख भूमिका निभाता है; जैसे-जैसे क्लैडिंग प्रक्रिया आगे बढ़ती है, पिघले हुए पूल में पिघली हुई धातु की प्रवाह दर तेज हो जाती है, और इस समय ऊष्मा संवहन एक प्रमुख भूमिका निभाता है, जैसा कि चित्र 5 और 6 में दिखाया गया है।

2.2 सतह कुंडलाकार ऊष्मा स्रोत

सतही कुंडलाकार ऊष्मा स्रोत एक ऊष्मा स्रोत मॉडल है जो खोखले कुंडलाकार लेजर क्लैडिंग के संख्यात्मक सिमुलेशन के लिए अद्वितीय है। यह "खोखले बीम और बीम में पाउडर फीडिंग" की नई खोखले कुंडलाकार लेजर क्लैडिंग प्रक्रिया पर आधारित है, जिसमें पारंपरिक "ठोस लेजर" क्लैडिंग पर अद्वितीय फायदे हैं। इसका मूल सिद्धांत बीम रूपांतरण प्रणाली [16-17] के माध्यम से ठोस बीम को एक खोखले कुंडलाकार बीम में परिवर्तित करना है, ताकि ऊर्जा वितरण एकाग्रता क्षेत्र केंद्र से बाहरी किनारे पर बदल जाए (जैसा कि चित्र 7 में दिखाया गया है), जो गॉसियन ठोस लेजर क्लैडिंग के कारण पिघले हुए चैनल के किनारे पर अधूरे पिघलने की घटना को खत्म कर सकता है और खराब धातुकर्म संबंध के नुकसान को सुधार सकता है [18]।

इसके कुंडलाकार क्षेत्र में ऊर्जा वितरण भी गॉसियन वितरण की तरह है, और ऊर्जा वितरण फ़ंक्शन है: चित्र में सूत्र (3) देखें। जहाँ: R0 फ़ोकल स्थिति पर लेज़र का बाहरी व्यास है, मिमी; z डीफ़ोकस है, मिमी; φ खोखले लेज़र बीम और क्षैतिज दिशा के बीच का कोण है; ξ ऊर्जा शिखर स्थिति गुणांक है।

तियान मेइलिंग एट अल [18] ने एनुलर खोखले लेजर पिघले हुए पूल के तापमान क्षेत्र को अनुकरण करने के लिए ANSYS परिमित तत्व विश्लेषण सॉफ्टवेयर का इस्तेमाल किया और त्रि-आयामी प्रवाह क्षेत्र वितरण का सैद्धांतिक विश्लेषण किया। खोखले लेजर क्लैडिंग पिघले हुए पूल के प्रवाह क्षेत्र ने एक सममित चार-रिंग प्रवाह वितरण दिखाया, जैसा कि चित्र 8 में दिखाया गया है। शि गाओलियन [20] ने ANSYS परिमित तत्व सॉफ्टवेयर का इस्तेमाल किया और सतह खोखले कुंडलाकार ताप स्रोत मॉडल के आधार पर 45 स्टील सैंपल क्लैडिंग Fe313 मिश्र धातु के पिघले हुए पूल के क्षणिक तापमान क्षेत्र का अनुकरण किया, और खोखले लेजर क्लैडिंग पिघले हुए पूल के तापमान क्षेत्र का विकास कानून प्राप्त किया। [21] ने एपीडीएल भाषा का उपयोग करके एएनएसवाईएस सॉफ्टवेयर पर आधारित खोखले रिंग लेजर के लोडिंग को जन्म-मृत्यु इकाई विधि के साथ मिलाकर सिम्युलेट किया और क्लैडिंग परत के तापमान क्षेत्र का वितरण कानून प्राप्त किया। क्लैडिंग प्रक्रिया के दौरान तापमान क्षेत्र का समग्र वितरण "धूमकेतु के आकार का" था। स्कैनिंग के शुरुआती चरण में, स्पॉट ने समान सैद्धांतिक ऊर्जा वितरण के साथ एक पूर्ण रिंग आकार दिखाया। जैसे-जैसे स्कैनिंग प्रक्रिया आगे बढ़ी, उच्च तापमान वाला क्षेत्र पूरी तरह से पीछे की ओर चला गया, धीरे-धीरे एक रिंग आकार से काठी के आकार में विकसित हुआ, जैसा कि चित्र 9 में दिखाया गया है। यह "बीच में कम और किनारे पर अधिक" की खोखले रिंग लेजर ऊर्जा की विशेषताओं की पुष्टि करता है।

2.3 गौसियन शारीरिक ऊष्मा स्रोत

वास्तविक लेजर क्लैडिंग प्रक्रिया में, लेजर बीम एक निश्चित गति से चलती है, और ऊर्जा वितरण एक समान नहीं होता है, विशेष रूप से स्कैनिंग दिशा के लंबवत प्रकाश स्रोत का ऊर्जा वितरण काफी भिन्न होता है, और सतह ताप स्रोत मॉडल पिघले हुए पूल में प्रवेश नहीं कर सकता है। इसलिए, शरीर ताप स्रोत अस्तित्व में आया। शरीर ताप स्रोत की लेजर ऊर्जा न केवल पाउडर परत की सतह पर जमा होती है, बल्कि क्लैडिंग परत के अंदर भी प्रवेश कर सकती है, जो पिघले हुए पूल के क्षणिक तापमान क्षेत्र या प्रवाह क्षेत्र की गणना सटीकता में सुधार करती है [22]। कुछ विद्वानों ने गॉसियन सतह ताप स्रोत मॉडल के आधार पर एक घूर्णन गॉसियन शरीर ताप स्रोत की स्थापना की है, जैसा कि चित्र 11 में दिखाया गया है। घूर्णन गॉस सतह शरीर गॉस वक्र को उसकी समरूपता अक्ष के चारों ओर घुमाकर बनता है

ऊर्जा वितरण फ़ंक्शन है: चित्र में सूत्र (4) और (5) देखें। जहाँ: e प्राकृतिक आधार है; R0 ऊष्मा स्रोत के उद्घाटन की त्रिज्या है; H ऊष्मा स्रोत की ऊँचाई है; Q ऊष्मा स्रोत की शक्ति है।

गाऊसी ताप स्रोत लेजर क्लैडिंग पिघले हुए पूल के संख्यात्मक सिमुलेशन के लिए सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल किया जाने वाला ताप स्रोत मॉडल है। झांग केरोंग एट अल। [24] ने घूर्णन गाऊसी वॉल्यूम ताप स्रोत मॉडल के आधार पर टीसी4 टाइटेनियम मिश्र धातु कीहोल के लेजर डीप मेल्टिंग वेल्डिंग की क्षणिक प्रक्रिया का संख्यात्मक रूप से अनुकरण किया, और प्रयोगों के संयोजन में कीहोल आकारिकी पर विभिन्न प्रक्रिया मापदंडों के प्रभाव का आगे विश्लेषण किया। अध्ययन से पता चला कि लेजर ऊर्जा घनत्व में वृद्धि, लेजर शक्ति में वृद्धि या स्पॉट व्यास में कमी के साथ, कीहोल की गहराई बढ़ गई और आकार व्यापक हो गया। स्पॉट व्यास कीहोल आकारिकी पर सबसे अधिक प्रभाव वाला प्रक्रिया पैरामीटर है। परिणाम दर्शाते हैं कि उच्च गति लेजर ऊर्जा प्रत्यक्ष निक्षेपण में, पाउडर क्रिया क्षेत्र में नीचे की ओर प्रवाह वेग पाउडर खिलाने के कारण उत्पन्न दबाव के कारण प्रभावी होता है, जैसा कि चित्र 25 में दिखाया गया है।

गॉसियन ताप स्रोत पर आधारित पिघले हुए पूल आकृति विज्ञान के संख्यात्मक सिमुलेशन में। चाई एट अल। [26] ने सेलुलर ऑटोमेटन विधि के आधार पर एक झुके हुए सब्सट्रेट पर लेजर क्लैडिंग का एक संख्यात्मक मॉडल स्थापित किया और क्लैडिंग परत के सापेक्ष क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र, चौड़ाई, ऊंचाई और वर्टेक्स ऑफसेट पर विभिन्न झुकाव कोणों के प्रभाव का अनुकरण किया, जैसा कि चित्रा 13 में दिखाया गया है। परिणाम बताते हैं कि सापेक्ष क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र पहले बढ़ता है, फिर घटता है, और फिर सब्सट्रेट झुकाव कोण की वृद्धि के साथ स्थिर हो जाता है; क्लैडिंग परत की चौड़ाई झुकाव कोण की वृद्धि के साथ बढ़ जाती है, और ऊंचाई पहले बढ़ जाती है और फिर घट जाती है; सब्सट्रेट झुकाव कोण की वृद्धि के साथ, क्लैडिंग परत का गुरुत्वाकर्षण घटक बड़ा और बड़ा हो जाता है,

2.4 दीर्घवृत्ताकार ऊष्मा स्रोत

लेजर क्लैडिंग में पिघले हुए पूल में ऊर्जा वितरण अक्सर तीन आयामी गाऊसी रोटेशन बॉडी नहीं होता है। पिघले हुए पूल के आकार और आकार को अधिक सटीक रूप से अनुकरण करने के लिए, एक दीर्घवृत्ताकार वितरण निकाय ताप स्रोत प्रस्तावित किया गया है। दो प्रकार के दीर्घवृत्ताकार ताप स्रोत हैं: सामने से पीछे की ओर समरूपता वाला एकल दीर्घवृत्ताकार ताप स्रोत और अलग-अलग सामने से पीछे की ओर ऊर्जा वितरण वाला दोहरा दीर्घवृत्ताकार ताप स्रोत। शुरुआती दिनों में, कुछ विद्वानों ने एक अर्धगोलाकार ताप स्रोत [27] का प्रस्ताव रखा, और इसका ऊर्जा वितरण कार्य है: आकृति में सूत्र (6) देखें। जहाँ: q(x,y,z) निर्देशांक प्रणाली पर बिंदु (x,y,z) का ताप प्रवाह घनत्व है; c गोले की त्रिज्या है; Q ताप इनपुट दर है।

बहुत सारे प्रायोगिक अवलोकनों के अनुसार, वास्तविक ऊष्मा स्रोत आगे और पीछे सममित रूप से वितरित नहीं है। इसलिए, शोधकर्ताओं ने एक डबल दीर्घवृत्ताकार ऊष्मा स्रोत (जैसा कि चित्र 14 में दिखाया गया है) प्रस्तावित किया, जिसमें आगे और पीछे के हिस्से क्रमशः दो 1/4 दीर्घवृत्ताकार हैं।

इसके अग्र और पश्च ऊर्जा वितरण कार्य इस प्रकार हैं: चित्र में सूत्र (7) देखें। जहाँ: qf और qr क्रमशः अग्र और पश्च अर्ध दीर्घवृत्त में ऊष्मा प्रवाह वितरण हैं; af और ar क्रमशः अग्र और पश्च अर्ध दीर्घवृत्त के अर्ध-अक्ष हैं; bh और ch क्रमशः अग्र और पश्च अर्ध दीर्घवृत्त के अन्य दो अर्ध-अक्ष हैं, और दो दीर्घवृत्त के दो लघु अर्ध-अक्ष बराबर हैं; ff और fr क्रमशः अग्र और पश्च अर्ध दीर्घवृत्त में ऊष्मा इनपुट के हिस्से हैं, और ff + fr = 1 है।

दीर्घवृत्ताकार ऊष्मा स्रोत द्वारा उत्पन्न पिघले हुए पूल के बड़े आकार के कारण, इसका उपयोग लेजर वेल्डिंग [29-30] और प्री-सेट लेजर क्लैडिंग जैसी लेजर प्रसंस्करण प्रक्रियाओं के संख्यात्मक सिमुलेशन में व्यापक रूप से किया जाता है। होसीन एट अल। [31] ने चयनात्मक लेजर पिघलने में तापमान क्षेत्र के विकास और पिघले हुए पूल के समोच्च के अनुकरण में तीन ताप स्रोत मॉडल (दीर्घवृत्ताकार ऊष्मा स्रोत, दोहरा दीर्घवृत्ताकार ऊष्मा स्रोत और बेलनाकार ऊष्मा स्रोत) के बीच अंतर का विश्लेषण किया। परिणामों से पता चला कि तापमान क्षेत्र और पिघले हुए पूल के समोच्च की गणना करने में तीन ताप स्रोत मॉडल के अपने अनूठे फायदे हैं। बेलनाकार ऊष्मा स्रोत पिघले हुए पूल के तापमान क्षेत्र की गणना करने के लिए उपयुक्त है, [32] ने एकल-चैनल चयनात्मक लेजर पिघलने के तापमान क्षेत्र का अनुकरण करने के लिए ANSYS APDL का उपयोग किया और गॉसियन सतह ताप स्रोत और डबल दीर्घवृत्तीय ताप स्रोत के तहत सिमुलेशन परिणामों की तुलना की। परिणाम बताते हैं कि डबल दीर्घवृत्तीय ताप स्रोत का गॉसियन सतह ताप स्रोत की तुलना में प्रयोगात्मक परिणामों के साथ बेहतर समझौता है क्योंकि इसका ऊर्जा वितरण वास्तविक लेजर ताप स्रोत के करीब है। चयनात्मक लेजर पिघलने की प्रक्रिया में, लेजर इनपुट ऊर्जा घनत्व को बदले बिना, लेजर शक्ति और स्कैनिंग गति को बढ़ाने से पिघले हुए पूल की गहराई और चौड़ाई में काफी वृद्धि होगी, जैसा कि चित्र 15 में दिखाया गया है।

कुछ विद्वानों ने विभिन्न प्रक्रिया मापदंडों के तहत पिघले हुए पूल के तापमान क्षेत्र में परिवर्तन पर गहन शोध भी किया है। हाओ ज़ियाओजी [33] ने चयनात्मक लेजर पिघलने के दौरान तापमान क्षेत्र के बदलाव का विश्लेषण करने के लिए ABAQUS सॉफ्टवेयर का इस्तेमाल किया। उन्होंने एक डबल दीर्घवृत्ताभ ताप स्रोत का इस्तेमाल किया, जिसने लेजर ऊर्जा इनपुट को एक निश्चित मात्रा में वितरित किया और इसे ताप प्रवाह घनत्व के रूप में सामग्री मॉडल के नोड्स पर लागू किया। उन्होंने लेजर पिघलने के दौरान तापमान क्षेत्र पर विभिन्न प्रक्रिया मापदंडों के प्रभाव का अध्ययन किया। जब केवल लेजर शक्ति बढ़ती है, तो पिघले हुए पूल में औसत हीटिंग दर और शीतलन दर और पिघले हुए पूल का आकार तदनुसार बढ़ जाता है; जब केवल स्कैनिंग की गति बढ़ जाती है,

2.5 संयुक्त ऊष्मा स्रोत

एकल आयतन वितरण ऊष्मा स्रोत पिघले हुए पूल की गहराई दिशा में ऊष्मा स्रोत के वितरण नियम को सरल करता है, और पिघले हुए पूल की सतह और अंदर लेज़र ऊर्जा के वितरण अंतर को अलग नहीं करता है [34]। इसलिए, संयुक्त ऊष्मा स्रोत व्युत्पन्न होते हैं, जैसे खंडित शरीर ऊष्मा स्रोत, डबल दीर्घवृत्ताभ शंकु संयुक्त ऊष्मा स्रोत, और गौसियन सतह ऊष्मा स्रोत और शरीर ऊष्मा स्रोत के संयोजन वाला संयुक्त ऊष्मा स्रोत। संयुक्त ऊष्मा स्रोत सतह ऊष्मा स्रोत और शरीर ऊष्मा स्रोत के लाभों को जोड़ता है, वास्तविक कार्य स्थितियों के अनुरूप होता है, और इसमें उच्च सिमुलेशन सटीकता होती है। संयुक्त ऊष्मा स्रोत में, सतह ऊष्मा स्रोत आम तौर पर एक गौसियन ऊष्मा प्रवाह वितरण सतह ऊष्मा स्रोत होता है, और शरीर ऊष्मा स्रोत आम तौर पर एक रैखिक रूप से क्षीण गौसियन सिलेंडर ऊष्मा स्रोत या घटती ऊष्मा प्रवाह के साथ एक घूर्णन शरीर ऊष्मा स्रोत होता है [35]।

कै हैपेंग एट अल [36] ने चलती गौसियन ताप स्रोत के आधार पर वेल्डिंग ताप स्रोत में सुधार किया, एक खंडित ताप स्रोत मॉडल की स्थापना की, वेल्डिंग विरूपण समस्या की गणना करने के लिए मोटे ग्रिड और उचित ताप स्रोत विभाजन का उपयोग किया और तनाव विकास का अनुकरण करने के लिए स्थानीय परिष्कृत ग्रिड तकनीक को संयोजित किया। वांग किबिंग एट अल [37] ने इनवर स्टील की लेजर-एमआईजी हाइब्रिड वेल्डिंग के दौरान पिघले हुए पूल के ताप और प्रवाह क्षेत्र का अनुकरण करने के लिए दोहरे दीर्घवृत्ताकार ताप स्रोत के ऊपरी भाग और गौसियन घूर्णन निकाय ताप स्रोत के निचले भाग को मिलाकर एक संयुक्त ताप स्रोत का उपयोग किया। परिणामों से पता चला कि संयुक्त ताप स्रोत द्वारा अनुकरण किया गया पिघले हुए पूल तापमान क्षेत्र वितरण मूल रूप से वास्तविक प्रयोगात्मक परिणामों के अनुरूप था। [38] ने लेज़र चयनात्मक पिघलने के दौरान पिघले हुए पूल के आकार, पिघले हुए प्रवाह और गैस-तरल मुक्त इंटरफ़ेस की विशिष्ट गड़बड़ी का अनुकरण करने के लिए एक परवलयिक घूर्णन शरीर ताप स्रोत (निचला आधा) और एक बेलनाकार ताप स्रोत (ऊपरी आधा) (जैसा कि चित्र 16 में दिखाया गया है) का एक संयुक्त ताप स्रोत स्थापित किया। सिंगल-पास क्लैडिंग में, स्कैनिंग गति और पाउडर परत की मोटाई छिद्र निर्माण के कारकों पर हावी होती है। मल्टी-पास क्लैडिंग के लिए, छिद्र निर्माण को प्रभावित करने वाले कारक मुख्य रूप से स्कैनिंग स्पेसिंग हैं, और स्कैनिंग स्पेसिंग की वृद्धि के साथ छिद्रों की संख्या बढ़ जाती है।

वांग यिवेन एट अल [39] ने फ्लुएंट सॉफ्टवेयर पर आधारित पिघले हुए पूल की क्षणिक गति और गर्मी और द्रव्यमान हस्तांतरण के लिए एक त्रि-आयामी सममित संख्यात्मक मॉडल स्थापित किया। त्रि-आयामी अर्धगोलाकार गौसियन ताप स्रोत का उपयोग करते हुए, विभिन्न प्रक्रिया मापदंडों के तहत पिघले हुए पूल तरल/गैस इंटरफेस की विकास प्रक्रिया और प्रवाह व्यवहार का विश्लेषण किया गया, और प्रवाह, तापमान और पिघले हुए पूल के आकार और सतह की गुणवत्ता के बीच संबंध स्थापित किया गया, जैसा कि क्रमशः चित्र 17 और 18 में दिखाया गया है। परिणाम बताते हैं कि प्रयोग और सिमुलेशन द्वारा प्राप्त सिंगल-पास क्लैडिंग परत की आकृति विज्ञान समान है। एक स्थिर पिघले हुए पूल के बनने के बाद, पिघले हुए पूल में द्रव उच्च तापमान वाले क्षेत्र से निम्न तापमान वाले क्षेत्र में एक रेडियल आकार में बहता है

2.6 अन्य ताप स्रोत मॉडल

कंप्यूटर प्रौद्योगिकी के आगे विकास के साथ, कुछ विद्वानों ने वास्तविक कार्य स्थितियों के अनुसार मौजूदा ताप स्रोत मॉडल को और अधिक अनुकूलित किया है और एक नया ताप स्रोत मॉडल स्थापित किया है। इसके अलावा, कुछ विशेष प्रसंस्करण स्थितियों के तहत संख्यात्मक सिमुलेशन भी विशिष्ट ताप स्रोत मॉडल के माध्यम से प्राप्त किया जा सकता है, जैसे कि ब्रॉडबैंड लेजर बीम ताप स्रोत मॉडल, खोखले रिंग ताप स्रोत मॉडल, आदि।

लेई डिंगज़ोंग एट अल। [40] ने प्रकाश में पाउडर फीडिंग के साथ ब्रॉडबैंड लेजर क्लैडिंग नोजल द्वारा गठित प्रकाश पथ और केंद्रित स्पॉट लाइट फ्लक्स डब्ल्यू के वितरण का अनुकरण और विश्लेषण करने के लिए ट्रेसप्रो सॉफ्टवेयर का उपयोग किया और दर्पण सतह पर खोखले रिंग ब्रॉडबैंड लेजर का एक त्रि-आयामी गणितीय मॉडल स्थापित किया। त्सेंग एट अल। [41] ने SYSWELD सॉफ्टवेयर पर आधारित एक लेजर हीट सोर्स मॉडल का प्रस्ताव दिया, तापमान क्षेत्र और क्लैडिंग परत के आकार पर लेजर बीम विशेषताओं और प्रक्रिया मापदंडों के प्रभाव का व्यापक रूप से विश्लेषण किया और लेजर क्लैडिंग प्रयोगात्मक सत्यापन के लिए एक संख्यात्मक मॉडल तैयार किया, जिसे अन्य लेजर प्रसंस्करण प्रक्रियाओं के संख्यात्मक सिमुलेशन पर लागू किया जा सकता है।
जहाँ: I0=αβP/(wd)। α लेजर अवशोषण गुणांक है, α=0.75; β शक्ति दक्षता है, β=0.98; P लेजर शक्ति है; d ब्रॉडबैंड लेजर स्पॉट की चौड़ाई है, d=1.5 मिमी; w ब्रॉडबैंड लेजर स्पॉट की लंबाई है, w=15 मिमी। लियू एट अल। [42] ने वाइड-बीम लेजर क्लैडिंग में एकल-पास क्लैडिंग परत के तापमान क्षेत्र और तनाव क्षेत्र का अध्ययन किया, जहां तापमान क्षेत्र वितरण चित्र 19 में दिखाया गया है। तापमान डेटा के साथ संयुक्त, पिघले हुए पूल की लंबाई, चौड़ाई और गहराई की गणना की गई। इसी समय, पिघले हुए पूल के आकार, तापमान ढाल, शीतलन दर और जमने की दर पर लेजर शक्ति और स्कैनिंग गति जैसे प्रक्रिया मापदंडों के प्रभावों पर चर्चा की गई।

फेंग यिकी [43] ने एक चयनात्मक लेजर पिघलने वाले पिघले हुए पूल द्रव यांत्रिकी मॉडल की स्थापना की। पाउडर बेड के अंदर लेजर की ऊर्जा क्षीणन विशेषताओं के आधार पर, सिमुलेशन में एक लेजर तीव्रता क्षीणन शरीर गर्मी स्रोत का उपयोग किया गया था: चित्र में सूत्र (9) देखें।
पाउडर फैलाने वाले मॉडल के सिमुलेशन परिणामों को पिघले हुए पूल के प्रवाह व्यवहार की भविष्यवाणी करने के लिए पिघले हुए पूल द्रव यांत्रिकी मॉडल में आयात किया गया था, और बहु-पास क्लैडिंग में पिघले हुए पूल के प्रवाह व्यवहार, छिद्रों और गोलाकार प्रभाव के बीच संबंधों पर गहन विश्लेषण किया गया था। परिणाम बताते हैं कि योजक सामग्री की निचली सतह पर सपाट तल की सतह की तुलना में सघन पाउडर वितरण होता है। पिघले हुए पूल के प्रवाह की बड़ी अनिश्चितता के कारण, गोलाकार घटना मुख्य रूप से योजक सामग्री की निचली सतह पर होती है, और बिना जुड़े हुए छेद ज्यादातर कई क्लैडिंग परतों के बीच पिघले हुए चैनल नेकिंग पर उत्पन्न होते हैं, जैसा कि चित्र 20 में दिखाया गया है।

सॉन्ग एट अल। [44] ने पाउडर जेट और लेजर के बीच बातचीत के क्षीणन प्रभाव और पिघले हुए पूल में प्रवेश करने वाले बिना पिघले पाउडर कणों के हीट सिंक प्रभाव पर व्यापक रूप से विचार किया। COMSOL सॉफ्टवेयर के आधार पर, पिघले हुए प्रवाह और गैस-तरल इंटरफेस के सतह तनाव को अनुकरण करने के लिए एक ताप स्रोत मॉडल स्थापित किया गया था। तापमान क्षेत्र और प्रवाह क्षेत्र वितरण चित्रा 21 में दिखाए गए हैं। इसी समय, पिघले हुए पूल की मुक्त सतह की वक्रता और क्लैडिंग परत के आकार का अनुमान लगाया गया था। तीन अलग-अलग क्रॉस-अनुभागीय दिशाओं में, नकली तापमान ढाल दिशा अनाज के विकास की दिशा के अनुरूप है। क्लैडिंग परत की चौड़ाई, ऊंचाई और पिघले हुए पूल की गहराई के प्रायोगिक सत्यापन से पता चलता है कि

जू जियाचाओ एट अल. [45] ने क्रांति के एक ज्यामितीय निकाय के विचार को मिलाकर एक खोखले रिंग लेजर हीट स्रोत का एक त्रि-आयामी गणितीय मॉडल स्थापित किया, और इसका गणितीय विश्लेषणात्मक सूत्र इस प्रकार प्राप्त किया: चित्र में सूत्र (10) देखें।

जहाँ: f1 ऊर्जा रूपांतरण गुणांक है, f1≤1; Q ताप इनपुट शक्ति है, W; μ ऊर्जा शिखर स्थिति है, जो आमतौर पर रिंग क्षेत्र के केंद्र में स्थित होती है, अर्थात μ=(R+r)/2; a रिंग की चौड़ाई का 1/2 है, अर्थात (Rr)/2; R और r रिंग स्पॉट का बाहरी व्यास और आंतरिक व्यास हैं, मिमी; c प्रकाश स्रोत की गहराई है, मिमी। ताप स्रोत मॉडल के प्रासंगिक मापदंडों को प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित किया गया था, और रिंग लेजर क्लैडिंग के क्षणिक तापमान क्षेत्र वितरण और थर्मल चक्र वक्र का अनुकरण करने के लिए मॉडल को COMSOL सॉफ्टवेयर के आधार पर लोड किया गया था। ताप संचय और ताप चालन के कारण तापमान शिखर और शिखर घाटी क्रमशः घटते और बढ़ते हैं।

संक्षेप में, कई व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले लेजर ताप स्रोत मॉडल के लागू वातावरण को तालिका 1 में संक्षेपित किया गया है। तापमान क्षेत्र सिमुलेशन में, विभिन्न मॉडलों द्वारा प्राप्त तापमान क्षेत्र वितरण प्रवृत्तियाँ समान हैं, सभी अण्डाकार धूमकेतु के आकार में हैं, और मुख्य अंतर विभिन्न उच्च तापमान वाले क्षेत्र हैं; प्रवाह क्षेत्र सिमुलेशन में, विभिन्न ताप स्रोत मॉडल द्वारा प्राप्त पिघले हुए पूल प्रवाह क्षेत्र का समग्र वितरण समान है, और उच्च गति वाला क्षेत्र भी पिघले हुए पूल के केंद्र में केंद्रित है। मुख्य अंतर यह है कि पिघले हुए पूल का आकार अलग है, और अधिक फैली हुई ऊर्जा वितरण वाले ताप स्रोत मॉडल में छोटी पिघलने की गहराई और चौड़ाई प्राप्त होती है। क्योंकि वास्तविक क्लैडिंग प्रक्रिया में प्रक्रिया पैरामीटर जटिल हैं, तालिका 1 केवल संदर्भ के लिए है, और ताप स्रोत मॉडल को वास्तविक प्रयोगात्मक स्थितियों के अनुसार यथोचित रूप से चुना जाना चाहिए।

3 लेजर क्लैडिंग के संख्यात्मक सिमुलेशन में मुक्त तरल सतह की अनुसंधान प्रगति

लेजर क्लैडिंग प्रक्रिया में, पिघले हुए पूल की मुक्त तरल सतह हवा के सीधे संपर्क में होती है, जो मुख्य रूप से सतह के तनाव से प्रभावित होती है और सीधे क्लैडिंग परत के आकार प्रोफ़ाइल को निर्धारित करती है। वर्तमान में, पिघले हुए पूल की मुक्त सतह का अध्ययन करने के लिए मुख्यधारा के तरीकों में निश्चित ग्रिड पर आधारित लेवल सेट विधि, द्रव की मात्रा विधि, युग्मित स्तर सेट विधि और द्रव की मात्रा विधि, चरण क्षेत्र विधि और चलती ग्रिड पर आधारित मनमाना लैग्रेंजियन-यूलरियन विधि शामिल हैं।

3.1 स्तर सेट विधि

लेवल सेट (एलएस) विधि, जिसे आइसोसर्फेस फ़ंक्शन विधि [49] के रूप में भी जाना जाता है, डायनेमिक इंटरफ़ेस का वर्णन करने के लिए एक दूरी क्षेत्र फ़ंक्शन का उपयोग करता है। लेवल सेट विधि मूल रूप से मल्टीफ़ेज़ प्रवाह के इंटरफ़ेस का अध्ययन करने के लिए प्रस्तावित की गई थी, और अब इसका उपयोग छवि पहचान, इंटरफ़ेस पुनर्निर्माण और अन्य क्षेत्रों में भी किया जाता है। लियू एट अल। [50] ने चयनात्मक लेजर पिघलने में पिघली हुई धातु की मुक्त सतह को ट्रैक करने के लिए लेवल सेट विधि का उपयोग किया और पाया कि सतह के तनाव के परिवर्तन के कारण होने वाली अस्थिर गड़बड़ी ने पिघले हुए पूल की सतह पर स्थानीय अवसाद पैदा किए, जिससे बनने के बाद क्लैडिंग परत की सतह खुरदरापन प्रभावित हुआ। हालांकि, गणना के दौरान एलएस विधि का संख्यात्मक अपव्यय अपेक्षाकृत गंभीर है,

3.2 द्रव की मात्रा विधि

द्रव का आयतन (वीओएफ) विधि एक आयतन अंश फ़ंक्शन को परिभाषित करके मुक्त इंटरफ़ेस का वर्णन करती है, और एकल ग्रिड में आयतन अंश को हल करके इंटरफ़ेस का पुनर्निर्माण करती है। वीओएफ विधि में एलएस विधि की तुलना में बेहतर द्रव्यमान संरक्षण है। ये चेन [51] ने वीओएफ विधि के आधार पर लेजर क्लैडिंग की क्लैडिंग परत के आकार प्रोफ़ाइल का अनुकरण और भविष्यवाणी की, और ऑर्थोगोनल प्रयोगों द्वारा सिमुलेशन परिणामों को सत्यापित किया। डेटा के तीन समूहों, अर्थात्, पिघलने की ऊंचाई, पिघलने की गहराई और कमजोर पड़ने की दर के तुलनात्मक परिणामों में 10% के भीतर विचलन दिखाया, जिसने संख्यात्मक मॉडल की सटीकता साबित की। हालांकि, वीओएफ विधि द्वारा निर्मित मुक्त इंटरफेस की सटीकता पर्याप्त उच्च नहीं है, [52] ने पाउडर माध्यम में प्रकाश किरण के प्रसार कानून के आधार पर पाउडर बेड में लेजर ऊर्जा वितरण का एक बॉडी हीट सोर्स मॉडल स्थापित किया, जो कि फ्लुएंट सॉफ्टवेयर पर आधारित है, और क्लासिक VOF विधि को संशोधित किया, और एक VOF विधि प्रस्तावित की जिसका उपयोग पाउडर पिघलने के बाद पतन की घटना का अनुकरण करने के लिए किया जा सकता है। गणना के परिणाम बताते हैं कि पाउडर परत की मात्रा में परिवर्तन पिघले हुए पूल और उसके आसपास के तापमान क्षेत्र और वेग क्षेत्र को प्रभावित करेगा, साथ ही साथ वर्कपीस की अंतिम आकृति विज्ञान भी।

3.3 युग्मित स्तर सेट विधि और द्रव मात्रा विधि

वीओएफ के साथ युग्मित लेवल-सेट (सीएलएसवीओएफ) विधि एलएस विधि और वीओएफ विधि के फायदों को जोड़ती है, और इसमें अच्छी इंटरफेस पुनर्निर्माण सटीकता और द्रव्यमान संरक्षण है। वेई एट अल। [54] ने लेजर हॉट वायर जमाव और मुक्त सतह के प्रवाह के दौरान गर्मी और द्रव्यमान हस्तांतरण का अध्ययन करने के लिए एक युग्मित बहुचरणीय प्रवाह मॉडल का प्रस्ताव करने के लिए एलएस विधि और वीओएफ विधि को मिलाया। मॉडल गैस/तरल इंटरफेस के सूक्ष्म उतार-चढ़ाव को लगभग 0.03 मिमी जितना छोटा पकड़ सकता है। वांग जियांग्यू एट अल। [55] ने पिघले हुए पूल की मुक्त तरल सतह के बदलाव की भविष्यवाणी करने के लिए सीएलएसवीओएफ विधि का इस्तेमाल किया, पिघले हुए पूल के अंदर द्रव्यमान हस्तांतरण का विश्लेषण किया, [9] ने CLSVOF पद्धति के आधार पर पिघले हुए पूल का एक संख्यात्मक सिमुलेशन मॉडल स्थापित किया। सिमुलेशन और प्रयोग द्वारा प्राप्त पिघले हुए पूल के आकार का विश्लेषण करते समय, यह पाया गया कि स्कैनिंग गति की वृद्धि के साथ पिघले हुए पूल की गहराई का विचलन बढ़ गया, जबकि स्कैनिंग गति की वृद्धि के साथ क्रॉस-अनुभागीय आकार का विचलन कम हो गया।

3.4 चरण क्षेत्र विधि

चरण क्षेत्र (पीएफ) विधि गिंज़बर्ग-लैंडौ सिद्धांत पर आधारित है और अंतर समीकरणों [57] के माध्यम से इंटरफ़ेस के क्षणिक परिवर्तनों को हल करती है। वीओएफ विधि के विपरीत, इसमें इंटरफ़ेस के पुनर्निर्माण की आवश्यकता नहीं होती है। एलएस विधि की तुलना में, इसमें दूरी फ़ंक्शन के थकाऊ आरंभीकरण की आवश्यकता नहीं होती है। गणना राशि अपेक्षाकृत छोटी है, और छोटे पैमाने या उच्च सतह तनाव संवेदनशीलता के साथ मुक्त तरल सतह की समस्याओं से निपटने में इसके अनूठे फायदे हैं। जिन एट अल। [58] ने चरण क्षेत्र विधि के आधार पर लेजर पाउडर बेड पिघलने का एक दो-आयामी संख्यात्मक सिमुलेशन मॉडल स्थापित किया और पाया कि मारंगोनी प्रभाव पिघले हुए पूल में बुलबुले बनाने का कारण बनेगा। पुन: पिघलने की प्रक्रिया और लेजर की शक्ति बढ़ाने से छिद्रों को खत्म करने में मदद मिल सकती है

3.5 मनमाना लैग्रांजियन और यूलर विधियाँ

मनमाना लैग्रेंजियन-यूलरियन (ALE) विधि इंटरफ़ेस आंदोलन फ़ंक्शन के माध्यम से गतिशील इंटरफ़ेस को ट्रैक करती है। यह दो विवरण विधियों, लैग्रेंजियन और यूलरियन के लाभों को जोड़ती है, और उच्च परिशुद्धता मुक्त तरल सतह और द्रव-ठोस युग्मन समस्याओं से निपटने में स्पष्ट फायदे हैं। ALE विधि के आधार पर, तियान एट अल। [59] ने कई भौतिक मापदंडों वाले ताप हस्तांतरण और द्रव प्रवाह परिमित तत्व मॉडल को स्थापित करने के लिए COMSOL सॉफ्टवेयर का उपयोग किया, और पिघले हुए पूल के कमजोर पड़ने की दर और ज्यामिति पर विभिन्न प्रक्रिया मापदंडों के प्रभाव का पता लगाया। परिणाम बताते हैं कि एक निश्चित सीमा के भीतर, कमजोर पड़ने की दर सापेक्ष ऊर्जा-से-द्रव्यमान अनुपात से रैखिक रूप से संबंधित है। इसके अलावा, सापेक्ष ऊर्जा-से-द्रव्यमान अनुपात की वृद्धि के साथ [23] ने लेजर प्रत्यक्ष जमाव के लिए एक बहु-चरणीय ऊष्मा और द्रव्यमान स्थानांतरण मॉडल की स्थापना की, और पिघले हुए पूल की सतह के गतिशील परिवर्तनों को ट्रैक करने के लिए गतिशील जाल तकनीक पर आधारित एएलई पद्धति का उपयोग किया, और पिघले हुए पूल आकार प्रोफ़ाइल और संरचना वितरण की गणना की, जो दर्शाता है कि संवहन पिघले हुए पूल में मिश्र धातु तत्वों के द्रव्यमान हस्तांतरण का मुख्य तंत्र है।
संक्षेप में, उपरोक्त मुक्त द्रव सतह ट्रैकिंग विधियों के फायदे और नुकसान तालिका 2 में संक्षेपित किए गए हैं।

4 लेजर क्लैडिंग पिघले हुए पूल सिमुलेशन मॉडल का सत्यापन

लेजर क्लैडिंग संख्यात्मक सिमुलेशन के अध्ययन में, एक उचित संख्यात्मक विश्लेषण मॉडल स्थापित करना और मॉडल को सत्यापित करना आवश्यक है। वर्तमान मॉडल सत्यापन मुख्य रूप से पिघले हुए पूल के तापमान, छवि और अन्य संकेतों के अधिग्रहण के माध्यम से होता है, सिग्नल प्रोसेसिंग के लिए कंप्यूटर तकनीक का उपयोग करता है, और अंत में तापमान क्षेत्र और प्रवाह क्षेत्र सिमुलेशन डेटा के साथ तुलना और सत्यापन करता है।

4.1 तापमान क्षेत्र सत्यापन

लेजर क्लैडिंग पिघले हुए पूल तापमान का पता लगाने को संपर्क का पता लगाने और गैर-संपर्क का पता लगाने में विभाजित किया गया है [62]। आमतौर पर इस्तेमाल किया जाने वाला संपर्क तापमान का पता लगाना मुख्य रूप से थर्मोकपल तापमान माप के माध्यम से होता है, और तापमान संवेदन तत्व मापा जाने वाले लक्ष्य के सीधे संपर्क में होता है। लाभ सरल संचालन और उच्च पता लगाने की सटीकता है। ली यानमिन एट अल। [63] ने सब्सट्रेट के तापमान को मापने के लिए थर्मोकपल का इस्तेमाल किया, और पिघले हुए पूल के अंदर तापमान वितरण का विश्लेषण करने के लिए संख्यात्मक सिमुलेशन के साथ संयुक्त किया, और लगभग पिघले हुए पूल के तापमान में बदलाव प्राप्त किया। चूंकि लेजर क्लैडिंग पिघले हुए पूल के केंद्र में तापमान बहुत अधिक है, इसलिए तापमान संवेदन तत्व पिघले हुए पूल के केंद्र में तापमान को माप नहीं सकता है, और लंबे समय तक उच्च तापमान वाले कामकाजी वातावरण से पता लगाने वाले उपकरणों की सेवा जीवन में काफी कमी आएगी। इसलिए, वर्तमान मुख्यधारा पिघले हुए पूल तापमान का पता लगाने में गैर-संपर्क तापमान माप को अपनाया जाता है। लेजर क्लैडिंग पिघले हुए पूल के गैर-संपर्क तापमान माप में मुख्य रूप से मोनोक्रोम तापमान माप, कलरिमेट्रिक तापमान माप और सीसीडी [64] के माध्यम से छवि सिग्नल अधिग्रहण और तापमान माप शामिल हैं। पेंग चेंग एट अल। [65] ने टाइटेनियम मिश्र धातु की पतली दीवार के क्लैडिंग बनाने की प्रक्रिया के दौरान तापमान क्षेत्र वितरण का अनुकरण करने के लिए ANSYS सॉफ्टवेयर का उपयोग किया, और दो-रंग थर्मामीटर का उपयोग करके एक खोखले रिंग लेजर क्लैडिंग पिघले हुए पूल तापमान ऑनलाइन पता लगाने की प्रणाली तैयार की, वास्तविक तापमान को मापा और सिमुलेशन परिणामों को सत्यापित किया। परिणाम बताते हैं कि जैसे-जैसे जमाव परत ऊपर की ओर जमा होती है, गर्मी संचय की घटना अधिक गंभीर हो जाती है। फोरियन एट अल। [66] ने उच्च तापमान डायोड तापमान माप और उच्च गति इमेजिंग तकनीक का उपयोग करके लेजर पाउडर बेड पिघलने की प्रक्रिया में पिघले हुए पूल के लिए एक इन-सीटू डिटेक्शन सिस्टम तैयार किया

4.2 प्रवाह क्षेत्र सत्यापन

पिघले हुए पूल के प्रवाह क्षेत्र सत्यापन में मुख्य रूप से दो प्रकार शामिल हैं: इन-सीटू डिटेक्शन और नॉन-इन-सीटू डिटेक्शन। इन-सीटू डिटेक्शन मुख्य रूप से लेजर क्लैडिंग प्रक्रिया के दौरान वास्तविक समय के पिघले हुए पूल की सतह आकृति विज्ञान छवि प्राप्त करने के लिए एक सीसीडी कैमरा या सीएमओएस कैमरा का उपयोग करता है। छवि प्रसंस्करण के बाद, सत्यापन के लिए इसकी तुलना सिमुलेशन डेटा से की जाती है। विर्थ एट अल। [67] ने पिघले हुए पूल की सतह के प्रवाह कानून और कण की गति को प्राप्त करने के लिए एक लेजर क्लैडिंग हाई-स्पीड कैमरा इमेज ऑनलाइन अधिग्रहण प्रणाली (जैसा कि चित्र 24 में दिखाया गया है) को डिज़ाइन किया। विश्लेषण में पाया गया कि पिघले हुए पूल की स्थानीय प्रवाह दिशा प्रक्रिया मापदंडों से प्रभावित होती है और इसमें एक निश्चित यादृच्छिकता होती है। अधिकांश संख्यात्मक सिमुलेशन में, यह धारणा कि पिघले हुए पूल में तरल पदार्थ लामिना का प्रवाह है वास्तविक पिघले हुए पूल की चौड़ाई और वीडियो डेटा की पिक्सेल चौड़ाई के बीच मानचित्रण संबंध को कैलिब्रेट करके, उन्होंने गणना की कि पिघले हुए पूल की सतह का प्रवाह वेग लगभग 68 मिमी/सेकंड (12 स्टेनलेस स्टील) और 304 मिमी/सेकंड (Q15 कार्बन स्टील) था। गैर-इन-सीटू पता लगाने से मुख्य रूप से प्रयोगात्मक नमूनों के आकार प्रोफ़ाइल और यांत्रिक गुणों का पता चलता है, और फिर सत्यापन के लिए सिमुलेशन डेटा के साथ उनकी तुलना की जाती है। वू जियाझू [235] ने लेजर डायरेक्ट मेटल डिपोजिशन प्रक्रिया के ताप प्रवाह हस्तांतरण तंत्र का अध्ययन किया, प्रयोग द्वारा प्राप्त नमूना पिघलने की गहराई और डिपोजिशन परत की ऊंचाई को मापा, और सिमुलेशन द्वारा प्राप्त पिघले हुए पूल आकार प्रोफ़ाइल डेटा के साथ उनकी तुलना की, यह सत्यापित करते हुए कि मॉडल में उच्च भविष्यवाणी सटीकता (≥68%) है।

5 सारांश और दृष्टिकोण

लेजर क्लैडिंग का तापमान क्षेत्र और प्रवाह क्षेत्र सिमुलेशन पिघले हुए पूल की धातुकर्म संबंधी गतिशील विशेषताओं को प्रकट करने के लिए अनुकूल है, लेकिन अभी भी निम्नलिखित समस्याएं हैं:

1) पिघले हुए पूल प्रवाह क्षेत्र सिमुलेशन के अध्ययन में, सीमा की स्थितियाँ सही नहीं हैं। आम तौर पर, पिघले हुए पूल में तरल पदार्थ पर बलों के लिए केवल पिघले हुए पूल की सतह के तनाव, गुरुत्वाकर्षण और उछाल पर विचार किया जाता है, और सुरक्षात्मक गैस के दबाव और पिघले हुए पूल की सतह पर बिना पिघले पाउडर कणों के प्रभाव को कम माना जाता है।

2) पिघले हुए पूल के अंदर तापमान क्षेत्र और प्रवाह क्षेत्र में परिवर्तनों का अध्ययन करने की प्रक्रिया में, कुछ विद्वान पहले से ही क्लैडिंग परत के आकार को पूर्व निर्धारित कर देंगे या यह मान लेंगे कि परिमित तत्व मॉडल की स्थापना करते समय पिघला हुआ पूल विमान में स्थित है, जबकि पिघले हुए पूल तरल/गैस की मुक्त सतह को अनदेखा कर दिया जाता है, जो पिघले हुए पूल आंदोलन और तरल/गैस इंटरफेस के विश्लेषण के लिए इन मॉडलों की सटीकता को सीमित करता है, साथ ही पिघले हुए पूल के प्रवाह तंत्र के अध्ययन को भी सीमित करता है।

3) अधिकांश अध्ययन क्षैतिज सब्सट्रेट पर आधारित होते हैं, लेकिन जिन भागों की मरम्मत की आवश्यकता होती है वे अक्सर आकार में जटिल होते हैं और गैर-क्षैतिज आधार सतहों पर होते हैं। इसलिए, गैर-क्षैतिज आधार सतहों पर लेजर क्लैडिंग पर और अधिक शोध की आवश्यकता है।

उपरोक्त कमियों को देखते हुए, निम्नलिखित सुधार उपाय प्रस्तावित हैं।

1) सीमांत स्थितियों में सुधार करें। परिरक्षण गैस के दबाव को प्रयोगात्मक रूप से मापा जाता है, मात्रा निर्धारित की जाती है और पिघले हुए पूल की सतह पर सीमांत स्थिति के रूप में जोड़ा जाता है।

2) संख्यात्मक मॉडल में सुधार करें। लेजर क्लैडिंग नोजल के पाउडर प्रवाह क्षेत्र का सिमुलेशन अनुसंधान पहले से ही बहुत परिपक्व है। हम सिमुलेशन प्रक्रिया के दौरान क्लैडिंग परत बनाने के लिए पाउडर सामग्री को एक साथ जोड़ने के लिए असतत चरण मॉडल को संयोजित करने का प्रयास कर सकते हैं और एक उपयुक्त मल्टीफ़ेज़ प्रवाह गर्मी और द्रव्यमान हस्तांतरण मॉडल स्थापित कर सकते हैं।

3) क्लैडिंग परत के गठन तंत्र और विकास प्रक्रिया का विश्लेषण पिघले हुए पूल के आंतरिक बल के साथ संयोजन में किया जाना चाहिए, और परिवर्तनशील मुद्रा के तहत पिघले हुए पूल के प्रवाह व्यवहार और रूपात्मक परिवर्तनों का वैज्ञानिक स्पष्टीकरण अगली प्रमुख अनुसंधान दिशा होगी।