Лазер бүрээсийн хайлсан усан санд үйлчлэх хүчийг товч тайлбарлаж, гадаргуугийн хурцадмал байдал, наалдамхай зүсэлтийн хүч, таталцал, хамгаалалтын хийн даралтыг багтаасан бөгөөд бүрхүүлийн давхарга үүсэх механизмыг эдийн өсөлт, хайлсан усан сангийн урсгалын үүднээс товч шинжилэв. Үүний зэрэгцээ, гадаргуугийн Гауссын дулааны эх үүсвэр, гадаргуугийн цагираг дулааны эх үүсвэр, Гауссын биеийн дулааны эх үүсвэр, эллипсоид дулааны эх үүсвэр, биеийн дулааны хосолсон эх үүсвэр зэрэг лазер бүрээсийн загварчлалд хэрэглэгддэг янз бүрийн дулааны эх үүсвэрийн загваруудын эрчим хүчний хуваарилалтын хууль, тэгшитгэлийг нэгтгэн харуулав. Үүний үндсэн дээр температурын орон ба урсгалын талбайн тоон симуляцийн судалгааны ахиц дэвшил лазер бүрээс Сүүлийн жилүүдэд дотоод болон гадаадад хайлсан усан санг ангилж, хянаж, дулааны эх үүсвэрийн янз бүрийн загваруудын давуу болон сул талуудыг шинжилдэг. Төрөл бүрийн дулааны эх үүсвэрүүдийн ашиглах орчин, олж авсан температурын талбайн тархалтын хуулиудыг нэгтгэн харуулав. Түүнчлэн хайлсан усан сангийн чөлөөт шингэний гадаргуугийн судалгааны аргуудыг нэгтгэн дүгнэж, температурын орон ба урсгалын талбайн тоон симуляцийн загваруудын баталгаажуулалтын аргуудыг нэгтгэн харуулав. Үүний зэрэгцээ, лазер бүрээсийн хайлсан усан сангийн тоон загварчлалын судалгаанд тулгарч буй асуудлуудыг харгалзан тэдгээрийг тоон загвар, хилийн нөхцлөөс нэгтгэн дүгнэж, эцэст нь ирээдүйн хөгжлийн чиглэлийг хайж байна.

Лазер бүрэх нь гадаргууг өөрчлөх, материалыг засах шинэ процесс юм. Энэ нь субстратын гадаргуу дээр бүрэх материалыг нунтаг тараах эсвэл тэжээх замаар нэмж, өндөр энерги бүхий лазер туяа ашиглан бүрхүүлийн давхаргын материалыг хурдан хайлуулж, гадаргуугийн гадаргуу дээр металлургийн сайн наалдсан бүрхүүлийн давхарга үүсгэдэг, ингэснээр субстратын найрлагыг өөрчилдөг. гадаргуу ба материалын гадаргуугийн шинж чанарыг сайжруулах [1]. Лазер бүрэх явцад хайлсан усан сан нь тогтворгүй бөгөөд Марангони урсгал, нунтаг шахах, нунтаг дамжуулах, хамгаалах хий дэх турбулент, боловсруулалтын хувьсах параметрүүд [2]. Гадаргуугийн хурцадмал байдлаас үүдэлтэй Марангони хүч нь хайлсан усан сангийн урсгалд чухал нөлөө үзүүлдэг [3-4] нь бүрхүүлийн давхаргын морфологи, шингэрэлтийг тодорхойлох гол хүчин зүйл болохыг олон тооны судалгаа харуулж байна. Хайлсан усан сан дахь урсгалын төлөв байдал нь материалын бүтцийн хувьсалд шууд нөлөөлдөг. Шингэн хайлсан усан сангийн шингэний динамик ба геометрийн хувьсал нь нэмэлт үйлдвэрлэлийн материалын механик шинж чанараас шууд хамаардаг. Хайлмал усан сан нь маш богино хугацаанд үүсдэг бөгөөд хайлсан усан сангийн хэмжээ бага байдаг тул туршилтын явцад хайлсан усан сангийн агшин зуурын хувьслыг нарийн хянах нь бараг боломжгүй юм. Тиймээс компьютерийн технологи хөгжихийн хэрээр хайлсан усан сан доторх динамик урсгалын хөдөлгөөнийг хязгаарлагдмал элементийн симуляци ашиглан тоон загварчлал хийх нь түгээмэл болсон. Лазер бүрэх хайлсан усан сангийн тоон загварчлалын хувьд дулааны эх үүсвэрийн боломжийн загвар нь тоон симуляцийн үнэн зөв үр дүнд хүрэх түлхүүр юм. Ерөнхийдөө ажлын бодит нөхцөлд шаардагдах лазерын дулааны эх үүсвэрийн дагуу дулааны эх үүсвэрийн тохирох загварыг тогтоодог. Материалын устах урт нь тухайн материалын тодорхой лазер долгионы уртад шингээх коэффициентээс ихээхэн хамаардаг. Лазер хүртэлх материалын устах уртын дагуу лазер бүрэх процесс дахь дулааны эх үүсвэрийн загварыг гадаргуугийн дулааны эх үүсвэр ба биеийн дулааны эх үүсвэр гэж хувааж болно. Хэрэв лазер нь материалын гадаргуу дээр үйлчилдэг бол лазерын энерги нь богино зайд дамжуулсны дараа 0 болж буурдаг. Материалын гадаргуу дээр энерги бүрэн шингэсэн гэж үзэж болох бөгөөд матрицын материалаар лазерын энергийг шингээхийг гадаргуугийн шингээлт гэж нэрлэж болно; хэрэв дамжуулах гүн гүнзгий, тэр ч байтугай материалын зузаанаас давсан бол үүнийг биеийн шингээлт гэж нэрлэж болно [5].

Энэхүү нийтлэлд эхлээд лазер бүрээсийн хайлсан усан сан үүсэх механизмыг товч тайлбарлаж, дараа нь лазер бүрээсийн хайлсан усан сангийн тоон симуляцийн судалгааны явцыг хэд хэдэн өргөн хэрэглэгддэг дулааны эх үүсвэрийн загварт ангилж, дүгнэж, хайлсан усан сангийн температурын талбар ба урсгалын талбайн тоон судалгааны байдлыг нэгтгэн харуулав. янз бүрийн дулааны эх үүсвэрийн дор симуляци хийж, эцэст нь лазер бүрээсийн хайлсан усан сангийн симуляцийн асуудлыг тэсэн ядан хүлээж байна.

1 Лазер бүрэх хайлсан усан сан үүсэх механизм

Лазер бүрэх явцад лазерын оролтын энергийн нягтрал өндөр байдаг. Дулаан дамжуулалт ба конвекц нь хайлсан усан сангийн физик хувьслыг хянадаг бөгөөд хайлсан усан сан дахь температурын орон ба урсгалын талбайн тархалтыг шууд тодорхойлдог. Лазер бүрэх хайлсан усан сан нь маш богино хугацаанд тэнцвэрт байдалд хүрч чаддаг бөгөөд энэ нь температурын градиент, хурдацтай циклик конвекц байдаг. Төвлөрсөн лазер туяа нь металл субстрат дээр цацагдаж, субстратын температур нэмэгдэж, хайлмал усан сан үүсгэдэг. Цорго нь металл нунтагыг хайлсан усан сан руу синхроноор цацдаг. Хайлсан усан сан дахь шингэн металл нь Марангони хурцадмал байдлын нөлөөн дор үүснэ. Хайлсан усан сан доторх температур аажмаар жигд болдог. Хайлмал нь хайлсан усан сангийн ирмэг рүү урсаж, хайлсан усан сангийн гадаргуу дээр хүрч, хатуурснаар бүрхүүлийн давхарга үүсгэдэг. Сонг нар. [6] хайлсан усан сан үүсэх, дотоод конвекцийн хэв маяг, бүрээсийн давхаргын хатуурлын төлөв байдалд дүн шинжилгээ хийсэн.

Хайлсан усан сан дахь хүч нь нарийн төвөгтэй байдаг. Хайлсан усан сан дахь шингэний урсгалын гол хөдөлгөгч хүч нь хөвөх чадвар, гадаргуугийн хурцадмал байдал ба наалдамхай зүсэлтийн хүчний хоорондын тэнцвэрт байдлаас үүссэн Марангони урсгал юм [7]. Ши Жианжүн [8] хайлсан усан сангийн гурван хэмжээст хүчийг шинжилжээ. Хайлсан усан сангийн хүчний шинжилгээг Зураг 1-д үзүүлэв. Үүнд гадаргуугийн хурцадмал байдал Fγ, наалдамхай зүсэлтийн хүч Fμ, хүндийн хүч G ба хамгаалалтын хийн даралт Fp, θ нь субстратын хазайлтын өнцөг юм. Гадаргуугийн хурцадмал байдал, таталцал, наалдамхай зүсэх хүч, хамгаалалтын хийн даралтын хосолсон үйл ажиллагааны дор хайлсан металл нь динамик тэнцвэртэй металл хайлсан усан санг бүрдүүлдэг. Тэдгээрийн дотроос гадаргуугийн хурцадмал байдал нь хайлсан усан санд хамгийн их нөлөө үзүүлдэг бөгөөд хайлсан усан сан дахь шингэний урсгал нь гадаргуугийн хурцадмал байдлаас үүдэлтэй Марангони конвекцоор голчлон явагддаг.

2 Лазер бүрхүүлийн тоон загварчлалын дулааны эх үүсвэрийн загварын судалгааны явц

2.1 Гаусын дулааны эх үүсвэр

Одоогийн байдлаар лазер бүрээсийн ихэнх тоон загварчлалд Зураг 2-т үзүүлсэн шиг Гауссын дулааны эх үүсвэрийн загварыг ашигладаг. Лазерын энерги нь орон зайд ердийн байдлаар тархсан бөгөөд төвд илүү их, ирмэг дээр бага байдаг нь бодит боловсруулалтын процесстой нийцдэг. Гэсэн хэдий ч хайлсан усан сангийн гүнийн чиглэлд эрчим хүчний хуваарилалтыг үл тоомсорлодог тул илүү гүн хайлсан усан сан бүхий ажлын нөхцөлд тохиромжгүй байдаг.

Дулааны урсгалын нягтын тэгшитгэлийн илэрхийлэл нь: Зураг дээрх (1) ба (2) томъёог харна уу. Үүнд: q(r) нь r радиусын гадаргуугийн дулааны урсгал, Вт/м2; R нь цэгийн төвөөс зай, м; c - дулааны урсгалын концентрацийн коэффициент, м2; qm - дулааны эх үүсвэрийн төв дэх хамгийн их дулааны урсгал, Вт / м2; P нь лазерын хүч, Вт; η нь лазерын ашиглалтын түвшин юм.

Гауссын гадаргуугийн дулааны эх үүсвэр нь жижиг хайлсан усан сангийн өргөн, гүн, бүрээсийн давхаргын зузаантай боловсруулалтын нөхцөлд тохиромжтой. Хайлсан усан сангийн температурын талбайн тоон симуляцийн хувьд Ван Жижиан нар. [10] Гауссын гадаргуугийн дулааны эх үүсвэрийг TC4 титан хайлшийн нэг давхаргат лазер хайлмал усан санг хатууруулах процессыг тоон хэлбэрээр загварчлахад ашигласан. Судалгаанаас үзэхэд нэг дамжлагатай лазер бүрээс нь сүүл хэсэгт хурдан дулаан дамждаг тул хайлсан усан сангийн урд талын дулаан хойд хэсгийнхээс илүү төвлөрч, хайлсан гүн нь илүү их байдаг. Лазерын хүч нэмэгдэхийн хэрээр хайлсан усан сангийн хайлсан гүн болон дулааны нөлөөлөлд өртсөн бүсийн хүрээ нь эрчим хүчний орц нэмэгдэж байгаатай холбоотойгоор аажмаар нэмэгддэг. Пант нар. [11] төгсгөлөг элементийн аргад тулгуурлан хайлмал усан санг холих загварыг байгуулж, лазерын тунадас хайлах үед хайлсан усан сангийн дулаан дамжуулалтыг судалсан. Үр дүн нь хайлсан усан сан нь урд талдаа зууван хэлбэртэй, сүүл нь сунгасан сүүлт од хэлбэртэй болохыг харуулж байна. Лазерын хүч нэмэгдэхийн хэрээр хайлсан усан сангийн өргөн нэмэгддэг (Зураг 3-т үзүүлэв). Сканнердах хурд нэмэгдэхийн хэрээр хөргөлтийн хурд нэмэгдэж, лазерын хүчийг нэмэгдүүлснээр хайлсан усан сан дахь температурын градиент нэмэгдэж, хөргөлтийн хурд ч нэмэгдэнэ.

Нэмж дурдахад зарим эрдэмтэд Гауссын гадаргуугийн дулааны эх үүсвэрийн дор хайлсан усан сангийн гурван хэмжээст морфологийн загварчлалыг судалжээ. Fallah et al. [12] лазерын нунтаг хуримтлуулах үед хайлсан усан сангийн хэмжээ, морфологийн хувьслыг урьдчилан таамаглахын тулд түр зуурын симуляцийг хязгаарлагдмал элементийн загварыг санал болгосон. Үр дүн нь дуурайлган таамагласан хайлсан усан сангийн профайл туршилттай ойролцоо байгааг харуулсан.
гэхдээ хайлсан усан сангийн температурын талбай болон урсгалын талбарт тусгай шинжилгээ хийгээгүй. Гао нар. [13] лазер бүрэх үед нэг дамжлагатай боловсруулалт хийх гурван хэмжээст тоон таамаглалын загварыг бий болгосон. Гауссын дулааны хуваарилалтын эх үүсвэрийг ашиглах ба төрөлт ба үхлийн нэгжийн аргад үндэслэн бүрээсийн давхаргын геометрийн хэлбэрийг урьдчилан тохируулах шаардлагагүй. Түр зуурын температурын орон ба бүрээсийн давхаргын геометрийн бүтцийг нэгэн зэрэг тооцоолно. Хүлээн авсан бүрээсийн хэлбэр нь туршилтын үр дүнтэй сайн тохирч байгаа бөгөөд үүнийг Зураг 4-т үзүүлэв. Үүнээс гадна тэд мөн температурын талбарт үйл явцын параметрийн нөлөөлөл, бүрээсийн давхаргын геометрийн хэлбэрт дүн шинжилгээ хийсэн.

Зарим эрдэмтэд Гауссын гадаргуугийн дулааны эх үүсвэрийг хайлсан усан сангийн урсгалын талбарыг дуурайлган хийхдээ бүрээсийн давхаргын гурван хэмжээст хэлбэрийг урьдчилан тохируулах болно. Лю Хан нар. [14] лазерын хуримтлалыг гурван хэмжээст хэлбэржүүлэх үйл явц дахь температурын орон ба стрессийн талбайн тоон симуляцийн судалгаанд хуримтлалын давхаргын бодит хэмжээн дээр суурилсан гурван хэмжээст загварыг бий болгосон. Үүний үндсэн дээр торго нунтаг синхрон лазерын хуримтлуулах хайлмал усан сангийн төгсгөлөг элементийн загварыг бий болгож, хайлсан усан сангийн урсгалын талбайн тархалтын хуулийг гаргажээ. Хайлсан усан сангийн хөндлөн огтлол дээр тэгш хэмтэй тархсан хоёр эргэлт үүсч, урд талд нь хүчтэй, хойд талд нь сул хоёр радиаль эргэлт үүсдэг. Хайлсан усан сангийн дээд гадаргуу дээрх шингэний тархалт нь төвөөс ирмэг хүртэл тархах хуулийг харуулдаг. Ли нар. [15] COMSOL программ хангамж дээр үндэслэн дискний лазер бүрэх процессын олон талбарт холбох загварыг байгуулж, CALPHAD аргыг ашиглан материалын дулааны физик шинж чанарыг тооцоолсон. Гауссын гадаргуугийн дулааны эх үүсвэрийг ашиглан лазер туяа ба нунтаг хоорондын харилцан үйлчлэл, хайлсан усан сангийн доторх стрессийн нөхцөлийг цогцоор нь авч үзсэн бөгөөд дискний лазер бүрэх явцад температурын орон ба урсгалын талбайн өөрчлөлтийн хуулийг олж авсан. Хайлсан усан сан нь эллипсоид хэлбэртэй бөгөөд хамгийн өндөр температур нь хайлсан усан сангийн төвийн арын хэсэгт тохиолддог. Бүрээсний эхний үе шатанд хайлсан усан сангийн урсгалын хурд бага, дулаан дамжуулалт нь хайлсан усан сангийн энергийг дамжуулахад гол үүрэг гүйцэтгэдэг; бүрэх үйл явц үргэлжлэхийн хэрээр хайлсан усан сан дахь хайлсан металлын урсгалын хурд хурдасч, энэ үед дулааны конвекц гол үүрэг гүйцэтгэдэг бөгөөд үүнийг Зураг 5, 6-д үзүүлэв.

2.2 Гадаргуугийн дулааны эх үүсвэр

Гадаргуугийн цагираг хэлбэрийн дулааны эх үүсвэр нь хөндий цагираг хэлбэрийн лазер бүрээсийн тоон загварчлалын өвөрмөц дулааны эх үүсвэрийн загвар юм. Энэ нь уламжлалт "хатуу лазер" бүрээстэй харьцуулахад өвөрмөц давуу талтай "хөндий туяа ба цацрагт нунтаг тэжээх" шинэ хөндий цагираг лазер бүрэх процесс дээр суурилдаг. Үүний үндсэн зарчим нь цацраг хувиргах системээр [16-17] цул цацрагийг хөндий цагирагт туяа болгон хувиргах бөгөөд ингэснээр энерги түгээх төвлөрлийн талбай төвөөс гадна ирмэг хүртэл өөрчлөгддөг (Зураг 7-д үзүүлсэн шиг) Гауссын хатуу лазер бүрээсээр үүсгэгдсэн хайлсан сувгийн захад дутуу хайлах үзэгдлийг арилгах, металлургийн чанар муутай холболтын сул талыг сайжруулах [18].

Түүний цагираг хэлбэрийн энергийн тархалт нь мөн Гауссын тархалттай адил бөгөөд эрчим хүчний хуваарилалтын функц нь: Зураг дээрх (3) томъёог харна уу. Үүнд: R0 нь фокусын байрлал дахь лазерын гаднах диаметр, мм; z нь фокусын хэмжээ, мм; φ нь хөндий лазер туяа ба хэвтээ чиглэлийн хоорондох өнцөг; ξ нь эрчим хүчний оргил байрлалын коэффициент юм.

Tian Meiling нар. [18] ANSYS төгсгөлийн элементийн шинжилгээний программыг ашиглан цагираг хэлбэрийн хөндий лазер хайлсан усан сангийн температурын талбарыг дуурайж, гурван хэмжээст урсгалын талбайн тархалтын онолын шинжилгээг хийсэн. Хөндий лазер бүрээстэй хайлсан усан сангийн урсгалын талбар нь 8-р зурагт үзүүлсэн шиг дөрвөн цагирагт урсгалын тэгш хэмтэй тархалтыг харуулсан. Ши Гаолян [20] ANSYS төгсгөлийн элементийн программ хангамжийг ашигласан ба түр зуурын температурыг дуурайлган хийхдээ гадаргуугийн хөндий цагираг хэлбэрийн дулааны эх үүсвэрийн загварт үндэслэсэн. 45 ган дээжийн бүрээсийн Fe313 хайлшаас хайлсан усан сангийн талбайг судалж, хөндий лазер бүрээсийн хайлсан усан сангийн температурын талбайн хувьслын хуулийг олж авсан. Өнгөлгөөний явцад дулааны хуримтлалын нөлөөгөөр хайлсан усан сан дахь температур нь сканнердах хугацаа, өндрийг нэмэгдүүлэх тусам аажмаар нэмэгддэг. Хайлсан усан сангийн хэлбэр, байрлал, эрчим хүчний нягтын хуваарилалт, үүссэн хэсгийн чанар нь ажлын мөчлөгийн өөрчлөлтийг дагаад ихээхэн өөрчлөгдөнө. Ли Гуанчи нар. [21] APDL хэлийг ашиглан ANSYS программ хангамж дээр суурилсан хөндий цагираг лазерын ачааллыг төрөлт-үхлийн нэгжийн аргатай хослуулан дуурайж, бүрхүүлийн давхаргын температурын талбайн тархалтын хуулийг олж авсан. Бүрхүүлгийн явцад температурын талбайн нийт тархалт нь "сүүлт од хэлбэртэй" байв. Сканнердах эхний үе шатанд толбо нь ижил онолын энергийн хуваарилалт бүхий бүрэн цагираг хэлбэрийг харуулсан. Сканнердах үйл явц ахих тусам өндөр температурын талбай бүхэлдээ хойшоо хөдөлж, 9-р зурагт үзүүлсэн шиг цагираг хэлбэрээс эмээл хэлбэрт аажмаар шилжсэн. Энэ нь "дунд хэсэгт бага" гэсэн хөндий цагираг лазерын энергийн шинж чанарыг баталж байна. мөн ирмэг дээр өндөр". Түүнчлэн бүрээсийн давхаргын температурын талбайн гадаргуугийн давхарга нь "гүн хөндийн хэлбэр"-ийг харуулсан бөгөөд хоёр талдаа өндөр, дунд хэсэг нь намхан, бүрээсийн давхаргын гүнийн чиглэлд температур нь гүн нэмэгдэх тусам аажмаар буурч байна. , Зураг 10-д үзүүлсний дагуу.

2.3 Гауссын биеийн дулааны эх үүсвэр

Бодит лазер бүрэх процесст лазер туяа тодорхой хурдтай хөдөлж, эрчим хүчний хуваарилалт жигд биш, ялангуяа сканнердах чиглэлд перпендикуляр гэрлийн эх үүсвэрийн энергийн тархалт эрс ялгаатай, гадаргуугийн дулааны эх үүсвэрийн загвар нь нэвтэрч чадахгүй. хайлсан усан сан. Тиймээс биеийн дулааны эх үүсвэр бий болсон. Биеийн дулааны эх үүсвэрийн лазерын энерги нь нунтаг давхаргын гадаргуу дээр хуримтлагдаад зогсохгүй бүрэх давхаргын дотор талд нэвтэрч, хайлсан усан сангийн түр зуурын температурын орон эсвэл урсгалын талбайн тооцооны нарийвчлалыг сайжруулдаг. 22]. Зарим эрдэмтэд Гауссын гадаргуугийн дулааны эх үүсвэрийн загварт тулгуурлан эргэдэг Гауссын биеийн дулааны эх үүсвэрийг 11-р зурагт үзүүлэв. Эргэдэг Гауссын гадаргуугийн бие нь Гауссын муруйг тэгш хэмийн тэнхлэгт эргүүлснээр үүсдэг. Дулааны эх үүсвэрийн энерги бүхэлдээ энэ гадаргуугийн биед тархсан гэж үзвэл хөндлөн огтлол дахь дулааны урсгалын нягт нь Гауссын тархалт болно.

Эрчим хүчний хуваарилалтын функц нь: Зураг дээрх (4) ба (5) томъёог үзнэ үү. Үүнд: e нь байгалийн суурь; R0 - дулааны эх үүсвэрийн нээлтийн радиус; H - дулааны эх үүсвэрийн өндөр; Q нь дулааны эх үүсвэрийн хүч юм.

Гауссын дулааны эх үүсвэр нь хайлсан усан санг лазераар бүрэх тоон загварчлалд хамгийн өргөн хэрэглэгддэг дулааны эх үүсвэрийн загвар юм. Жан Керонг нар. [24] эргэдэг Гауссын эзэлхүүний дулааны эх үүсвэрийн загварт үндэслэн TC4 титан хайлшны цооногийг лазераар гүн хайлуулах түр зуурын процессыг тоон хэлбэрээр загварчилж, туршилттай хослуулан голын нүхний морфологид янз бүрийн процессын параметрүүдийн нөлөөллийг цаашид шинжилсэн. Судалгаанаас харахад лазерын эрчим хүчний нягтрал нэмэгдэж, лазерын хүч нэмэгдэх эсвэл толбоны диаметр багасах тусам цооногийн нүхний гүн нэмэгдэж, хэмжээ нь илүү өргөн болсон байна. Толбоны диаметр нь нүхний хэлбэрт хамгийн их нөлөөлдөг процессын параметр юм. Sun et al. [25] дискрет фазын загвар ашиглан лазерын чиглэлийн энергийг хуримтлуулах нунтаг тоосонцорыг дуурайж, Гауссын дулааны эх үүсвэрийн загвартай хослуулан нунтаг хуримтлуулах давхаргын морфологи болон температур, хурдны талбайн тархалтыг шинжилсэн. Үр дүн нь өндөр хурдтай лазерын энергийг шууд хуримтлуулах үед нунтаг тэжээлийн нөлөөгөөр үүссэн даралтаас болж нунтаг үйлдэх хэсэгт доош чиглэсэн урсгалын хурд давамгайлж байгааг Зураг 12-т үзүүлэв.

Гауссын дулааны эх үүсвэр дээр суурилсан хайлсан усан сангийн морфологийн тоон загварчлалд. Чай нар. [26] үүрэн автомат аргад тулгуурлан налуу дэвсгэр дээр лазер бүрэх тоон загварыг бий болгож, налуу өнцгийн янз бүрийн өнцгийн нөлөөгөөр өнгөлгөөний давхаргын харьцангуй хөндлөн огтлолын талбай, өргөн, өндөр, оройн офсетийг загварчилсан. Зураг 13. Үр дүнгээс харахад харьцангуй хөндлөн огтлолын хэмжээ эхлээд нэмэгдэж, дараа нь буурч, дараа нь субстратын налуу өнцгийн өсөлтөөр тогтвортой байх хандлагатай байна; налуу өнцгийн өсөлтөөр бүрэх давхаргын өргөн нэмэгдэж, өндөр нь эхлээд нэмэгдэж, дараа нь буурдаг; субстратын налуу өнцгийг нэмэгдүүлэхийн хэрээр бүрхүүлийн давхаргын таталцлын бүрэлдэхүүн хэсэг улам бүр томорч, оройн офсет аажмаар нэмэгддэг.

2.4 Эллипсоид дулааны эх үүсвэр

Лазер бүрээс дэх хайлсан усан сан дахь энергийн хуваарилалт нь ихэвчлэн гурван хэмжээст Гауссын эргэлтийн бие биш юм. Хайлсан усан сангийн хэмжээ, хэлбэрийг илүү нарийвчлалтай загварчлахын тулд эллипсоид хуваарилах биеийн дулааны эх үүсвэрийг санал болгож байна. Зууван дулааны эх үүсвэрийн хоёр төрөл байдаг: урд талдаа тэгш хэмтэй нэг эллипсоид дулааны эх үүсвэр ба урдаас хойшоо эрчим хүчний хуваарилалт өөр өөр эллипсоид дулааны эх үүсвэр. Эхний өдрүүдэд зарим эрдэмтэд хагас бөмбөрцөг дулааны эх үүсвэрийг санал болгосон [27] бөгөөд түүний эрчим хүчний хуваарилалтын функц нь: Зураг дээрх (6) томъёог харна уу. Үүнд: q(x,y,z) - координатын системийн (x,y,z) цэгийн дулааны урсгалын нягт; c нь бөмбөрцгийн радиус; Q нь дулааны оролтын хурд юм.

Олон тооны туршилтын ажиглалтын дагуу дулааны бодит эх үүсвэр нь урд болон хойд талдаа тэгш хэмтэй тархаагүй байна. Тиймээс судлаачид давхар эллипсоид дулааны эх үүсвэрийг (Зураг 14-т үзүүлсэн шиг) санал болгосон бөгөөд урд болон хойд хэсгүүд нь тус тус хоёр 1/4 эллипсоид байна.

Түүний урд болон хойд эрчим хүчний хуваарилалтын функцууд нь: Зураг дээрх томьёо (7)-г харна уу. Үүнд: qf ба qr нь урд болон хойд хагас эллипсоид дахь дулааны урсгалын хуваарилалт; af ба ar нь урд болон хойд хагас эллипсоидын хагас тэнхлэгүүд; bh ба ch нь урд болон хойд хагас эллипсоидын нөгөө хоёр хагас тэнхлэг бөгөөд хоёр эллипсоидын хоёр богино хагас тэнхлэг тэнцүү байна; ff ба fr нь урд болон хойд хагас эллипсоид дахь дулааны оролтын хувь хэмжээ бөгөөд ff + fr = 1.

Эллипсоидын дулааны эх үүсвэрээс үүссэн хайлсан усан сангийн хэмжээ их байдаг тул лазер гагнуур [29-30], урьдчилан тохируулсан лазер бүрэх зэрэг лазер боловсруулах процессын тоон загварчлалд өргөн хэрэглэгддэг. Hocine et al. [31] сонгомол лазер хайлах үед температурын талбайн хувьсал болон хайлсан усан сангийн контурыг загварчлахдаа дулааны эх үүсвэрийн гурван загвар (эллипсоид дулааны эх үүсвэр, давхар эллипсоид дулааны эх үүсвэр, цилиндр дулааны эх үүсвэр) хоорондын ялгааг шинжилсэн. Үр дүн нь дулааны эх үүсвэрийн гурван загвар нь температурын талбай болон хайлсан усан сангийн контурыг тооцоолоход өөрийн гэсэн өвөрмөц давуу талтай болохыг харуулсан. Цилиндр дулааны эх үүсвэр нь хайлсан усан сангийн температурын талбайг тооцоолоход тохиромжтой байдаг бол эллипсоид дулааны эх үүсвэр нь хайлсан усан сангийн контурыг тооцоолоход илүү нарийвчлалтай байдаг. Луо Синлэй нар. [32] ANSYS APDL-ийг нэг сувгийн сонгомол лазер хайлалтын температурын талбарыг дуурайлган загварчлахдаа ашигласан бөгөөд Гауссын гадаргуугийн дулааны эх үүсвэр болон давхар эллипсоид дулааны эх үүсвэрийн дор симуляцийн үр дүнг харьцуулсан. Судалгааны үр дүнгээс харахад давхар эллипсоид дулааны эх үүсвэр нь Гауссын гадаргуугийн дулааны эх үүсвэрээс илүү туршилтын үр дүнтэй тохирч байна, учир нь түүний энергийн тархалт нь бодит лазерын дулааны эх үүсвэртэй ойр байдаг. Сонгомол лазер хайлах явцад лазерын оролтын энергийн нягтыг өөрчлөхгүйгээр лазерын хүч болон сканнердах хурдыг нэмэгдүүлэх нь хайлсан усан сангийн гүн, өргөнийг мэдэгдэхүйц нэмэгдүүлэх болно, 15-р зурагт үзүүлэв.

Зарим эрдэмтэд хайлсан усан сангийн температурын талбайн өөрчлөлтийг өөр өөр процессын параметрийн дагуу гүнзгийрүүлсэн судалгаа хийсэн. Hao Xiaojie [33] ABAQUS программ хангамжийг сонгон лазер хайлах үед температурын талбайн өөрчлөлтийг шинжлэхэд ашигласан. Тэрээр давхар эллипсоид дулааны эх үүсвэрийг ашигласан бөгөөд энэ нь лазерын энергийн оролтыг тодорхой хэмжээгээр хуваарилж, дулааны урсгалын нягтын хэлбэрээр материалын загварын зангилаанууд дээр хэрэглэсэн. Тэрээр лазер хайлуулах явцад янз бүрийн процессын параметрүүдийн температурын талбарт үзүүлэх нөлөөг судалжээ. Зөвхөн лазерын хүч нэмэгдэхэд хайлсан усан сан дахь халаалтын дундаж хурд, хөргөлтийн хурд, хайлсан усан сангийн хэмжээ зохих хэмжээгээр нэмэгддэг; зөвхөн сканнердах хурд нэмэгдэхэд хайлсан усан сан дахь халаалтын дундаж хурд ба хөргөлтийн хурд тогтвортой нэмэгдэж, хайлсан усан сангийн хэмжээ харьцангуй багасна; сканнердах зай нь хайлах сувгуудын хоорондох дахин хайлуулах нөлөөнд нөлөөлдөг бол нунтаг зузаан нь сканнердах давхаргын хоорондох холболтод нөлөөлдөг.

2.5 Дулааны хосолсон эх үүсвэр

Нэг эзэлхүүний хуваарилах дулааны эх үүсвэр нь хайлсан усан сангийн гүнийн чиглэлд дулааны эх үүсвэрийн тархалтын хуулийг хялбарчлах ба хайлсан усан сангийн гадаргуу болон доторх лазерын энергийн тархалтын зөрүүг ялгадаггүй [34]. Тиймээс дулааны хосолсон эх үүсвэрүүд нь сегментчилсэн биеийн дулааны эх үүсвэр, давхар эллипсоид конус хосолсон дулааны эх үүсвэр, Гауссын гадаргуугийн дулааны эх үүсвэр ба биеийн дулааны эх үүсвэрийг хослуулсан дулааны эх үүсвэр юм. Дулааны хосолсон эх үүсвэр нь гадаргын дулааны эх үүсвэр болон биеийн дулааны эх үүсвэрийн давуу талыг хослуулсан, бодит ажлын нөхцөлтэй илүү нийцэж, загварчлалын нарийвчлал өндөртэй байдаг. Дулааны хосолсон эх үүсвэрт гадаргуугийн дулааны эх үүсвэр нь ерөнхийдөө Гауссын дулааны урсгалыг хуваарилах гадаргуугийн дулааны эх үүсвэр бөгөөд биеийн дулааны эх үүсвэр нь шугаман сулруулсан Гауссын цилиндр дулааны эх үүсвэр эсвэл дулааны урсгал багасдаг эргэдэг биеийн дулааны эх үүсвэр юм [35].

Cai Haipeng нар. [36] хөдөлж буй Гауссын дулааны эх үүсвэрийн үндсэн дээр гагнуурын дулааны эх үүсвэрийг сайжруулж, дулааны эх үүсвэрийн сегментчилсэн загварыг бий болгож, гагнуурын хэв гажилтын асуудлыг тооцоолохын тулд том ширхэгтэй сүлжээ, дулааны эх үүсвэрийн тохирох сегментчлэлийг ашигласан, мөн гагнуурын деформацийн асуудлыг тооцоолохын тулд орон нутгийн цэвэршүүлсэн сүлжээний технологийг хослуулсан. стрессийн хувьсал. Ван Кибинг нар. [37] хос эллипсоид дулааны эх үүсвэрийн дээд хэсэг ба Гауссын эргэдэг биеийн дулааны эх үүсвэрийн доод хэсгийг нэгтгэсэн дулааны хосолсон эх үүсвэрийг ашиглан Invar ганг лазер-MIG эрлийз гагнуурын үед хайлсан усан сангийн дулаан ба урсгалын талбайг дуурайлган хийсэн. Үр дүн нь дулааны хосолсон эх үүсвэрээр загварчилсан хайлсан усан сангийн температурын талбайн тархалт нь бодит туршилтын үр дүнтэй үндсэндээ нийцэж байгааг харуулсан. Xie Yinkai нар. [38] хайлсан усан сангийн хэмжээ, хайлмал урсгал болон хийн тодорхой эвдрэлийг загварчлахын тулд параболик эргэдэг биеийн дулааны эх үүсвэр (доод тал) болон цилиндр дулааны эх үүсвэр (дээд тал) (Зураг 16-д үзүүлсний дагуу) хосолсон дулааны эх үүсвэрийг бий болгосон. -лазер сонгомол хайлуулах үед шингэнгүй интерфейс. Нэг дамжлагатай бүрээсэнд сканнердах хурд, нунтаг давхаргын зузаан нь нүх сүв үүсэх хүчин зүйлд давамгайлдаг. Олон дамжлагатай өнгөлгөөний хувьд нүх сүв үүсэхэд нөлөөлдөг хүчин зүйлүүд нь голчлон сканнерын зай бөгөөд скан хийх зай ихсэх тусам нүхний тоо нэмэгддэг.

Ван Ивэн нар. [39] нь Fluent программ хангамж дээр тулгуурлан хайлсан усан сангийн түр зуурын хөдөлгөөн, дулаан, масс дамжуулах гурван хэмжээст тэгш хэмт тоон загварыг бий болгосон. Гурван хэмжээст хагас бөмбөрцөг Гауссын дулааны эх үүсвэрийг ашиглан өөр өөр процессын параметрийн дагуу хайлсан усан сангийн шингэн/хийн интерфейсийн хувьслын үйл явц ба урсгалын төлөв байдалд дүн шинжилгээ хийж, урсгал, температур, хайлсан усан сангийн хэмжээ, гадаргуугийн чанарын хамаарлыг харуулсан. Зураг 17 ба 18-д тус тус үзүүлэв. Туршилт болон симуляцийн үр дүнд олж авсан нэг дамжлагатай бүрхүүлийн давхаргын морфологи ижил төстэй байгааг үр дүн харуулж байна. Тогтвортой хайлсан усан сан үүссэний дараа хайлсан усан сан дахь шингэн нь өндөр температуртай хэсгээс бага температурт радиаль хэлбэрээр урсах ба урсгалын хурд нь дундаас гадагшаа аажмаар нэмэгддэг. Камер нь шаарын урсацыг бодит цаг хугацаанд хянаж, загварчилсан урсгалын талбайн урсгалын чиглэл тогтвортой байна.

2.6 Дулааны эх үүсвэрийн бусад загварууд

Компьютерийн технологийн цаашдын хөгжлийг дагаад зарим эрдэмтэд одоо байгаа дулааны эх үүсвэрийн загварыг ажлын бодит нөхцөлд тохируулан улам оновчтой болгож, дулааны эх үүсвэрийн шинэ загварыг бий болгосон. Нэмж дурдахад өргөн зурвасын лазер туяаны дулааны эх үүсвэрийн загвар, хөндий цагирагийн дулааны эх үүсвэрийн загвар гэх мэт тодорхой дулааны эх үүсвэрийн загваруудаар дамжуулан боловсруулалтын зарим тусгай нөхцөлд тоон симуляци хийх боломжтой.

Lei Dingzhong нар. [40] TracePro программ хангамжийг ашиглан гэрлийн туяанд нунтаг тэжээл өгөх өргөн зурвасын лазер бүрэх цоргоноос үүссэн гэрлийн зам болон фокуслагдсан спот гэрлийн урсгалын W тархалтыг дуурайж, дүн шинжилгээ хийж, хөндий цагираг өргөн зурвасын гурван хэмжээст математик загварыг бүтээжээ. толин тусгал гадаргуу дээр лазер. Цэнг нар. [41] нь SYSWELD программ хангамж дээр суурилсан лазерын дулааны эх үүсвэрийн загварыг санал болгож, лазер туяаны шинж чанар, процессын параметрийн температурын талбар болон бүрээсийн давхаргын хэлбэрт үзүүлэх нөлөөг иж бүрэн шинжилж, лазер бүрээсийн туршилтын баталгаажуулалтын тоон загварыг зохион бүтээсэн. лазер боловсруулах бусад процессуудын тоон загварчлалд хэрэглэнэ. Лю нар. [42] өргөн зурвасын лазер туяаны дулааны эх үүсвэрийн загварыг бий болгосон бөгөөд түүний эрчим хүчний хуваарилалтын функц нь: Зураг дээрх томьёо (8)-ыг үзнэ үү.
Үүнд: I0=αβP/(wd). α - лазер шингээлтийн коэффициент, α=0.75; β нь эрчим хүчний үр ашиг, β=0.98; P нь лазерын хүч; d - өргөн зурвасын лазер цэгийн өргөн, d=1.5 мм; w нь өргөн зурвасын лазер цэгийн урт, w=15 мм. Лю нар. [42] өргөн цацрагт лазер бүрээсийн нэг дамжлагатай бүрээсийн давхаргын температурын орон ба хүчдэлийн талбайг судалсан бөгөөд температурын талбайн тархалтыг Зураг 19-д үзүүлэв. Температурын өгөгдөлтэй хослуулан хайлсан материалын урт, өргөн, гүн. усан санг тооцсон. Үүний зэрэгцээ хайлсан усан сангийн хэмжээ, температурын градиент, хөргөлтийн хурд, хатуурах хурд зэрэг лазерын хүч, сканнердах хурд зэрэг процессын параметрүүдийн нөлөөллийг хэлэлцэв. Үүнээс гадна янз бүрийн чиглэлд, янз бүрийн замд бүрэх давхаргын дулааны стрессийн талбайн тархалтыг мөн судалсан.

Фэн Ичи [43] хайлсан усан сангийн шингэний механикийн сонгомол лазер хайлуулах загварыг бий болгосон. Нунтаг дэвсгэр доторх лазерын энергийн бууралтын шинж чанарт үндэслэн загварчлалд лазерын эрчмийг бууруулах биеийн дулааны эх үүсвэрийг ашигласан: Зураг дээрх томъёо (9) -ийг үзнэ үү.
Нунтаг тараах загварын симуляцийн үр дүнг хайлсан усан сангийн урсгалын төлөв байдлыг урьдчилан таамаглах зорилгоор хайлсан усан сангийн шингэний механик загварт оруулж, хайлсан усны урсгалын төлөв байдал, нүх, бөмбөрцөгжилтийн нөлөөллийн хамааралд гүнзгий дүн шинжилгээ хийсэн. олон дамжлагатай бүрээстэй усан сан. Үр дүн нь нэмэлт материалын доод гадаргуу нь хавтгай ёроолтой харьцуулахад илүү нягт нунтаг тархалттай байгааг харуулж байна. Хайлмал усан сангийн урсгалын ихээхэн тодорхойгүй байдлаас шалтгаалан бөмбөрцөгжих үзэгдэл нь нэмэлт материалын доод гадаргуу дээр голчлон тохиолддог бөгөөд хайлуулж амжаагүй нүхнүүд нь 20-р зурагт үзүүлсэн шиг олон бүрээсийн давхаргын хоорондох хайлмал сувгийн хүзүүнд үүсдэг.

Сонг нар. [44] нунтаг тийрэлтэт болон лазерын хоорондын харилцан үйлчлэлийн сулралтын нөлөө болон хайлсан усан сан руу орох хайлаагүй нунтаг хэсгүүдийн дулаан шингээгч нөлөөг цогцоор нь авч үзсэн. COMSOL программ хангамж дээр үндэслэн хайлмал урсгал болон хийн шингэний интерфейсийн гадаргуугийн хурцадмал байдлыг дуурайлган хийх дулааны эх үүсвэрийн загварыг бий болгосон. Температурын талбай ба урсгалын талбайн тархалтыг Зураг 21-д үзүүлэв.Үүний зэрэгцээ хайлсан усан сангийн чөлөөт гадаргуугийн муруйлт болон бүрээсийн давхаргын хэмжээг урьдчилан тооцоолсон. Гурван өөр хөндлөн огтлолын чиглэлд загварчилсан температурын градиент чиглэл нь үр тарианы өсөлтийн чиглэлтэй нийцдэг. Бүрээсийн давхаргын өргөн, өндөр, хайлсан усан сангийн гүнийг туршилтаар баталгаажуулснаар янз бүрийн лазерын хүч, лазер сканнердах хурд, нунтаг тэжээлийн хурдыг харгалзан процессын параметрүүдийн дагуу загварчлалын үр дүн ба туршилтын үр дүнгийн хоорондох хамгийн их алдаа 10% байгааг харуулж байна.

Xu Jiachao нар. [45] геометрийн хувьсгалын биетийн санааг нэгтгэн хөндий цагираг лазерын дулааны эх үүсвэрийн гурван хэмжээст математик загварыг бий болгож, түүний математик аналитик томьёог дараах байдлаар олж авав: Зураг дээрх томъёог (10) үзнэ үү.

Үүнд: f1 нь энерги хувиргах коэффициент, f1≤1; Q нь дулааны оролтын хүч, Вт; μ нь ихэвчлэн цагирагийн талбайн төвд байрладаг энергийн оргил байрлал, өөрөөр хэлбэл μ=(R+r)/2; a нь цагирагийн өргөний 1/2, өөрөөр хэлбэл (Rr)/2; R ба r нь цагираган толбоны гаднах диаметр ба дотоод диаметр, мм; c - гэрлийн эх үүсвэрийн гүн, мм. Дулааны эх үүсвэрийн загварын холбогдох параметрүүдийг туршилтаар тодорхойлж, цагираг лазер бүрээсийн түр зуурын температурын талбайн тархалт, дулааны мөчлөгийн муруйг загварчлах зорилгоор COMSOL программ хангамжид үндэслэн загварыг ачааллаа. Температурын оргил ба оргил хөндий нь дулааны хуримтлал, дулаан дамжуулалтаас шалтгаалан буурч, нэмэгддэг. Давхаргын өндөр нэмэгдэхийн хэрээр хуримтлагдсан давхаргын температурын өсөлтийн талбай тэгш болно.

Дүгнэж хэлэхэд, хэд хэдэн өргөн хэрэглэгддэг лазерын дулааны эх үүсвэрийн загваруудын холбогдох орчныг Хүснэгт 1-д нэгтгэн үзүүлэв. Температурын талбайн симуляцид янз бүрийн загвараар олж авсан температурын талбайн тархалтын чиг хандлага нь бүгд зууван сүүлт од хэлбэрээр төстэй бөгөөд гол ялгаа нь өөр өөр өндөр температуртай газар нутаг юм; урсгалын талбайн симуляцид дулааны эх үүсвэрийн өөр өөр загвараар олж авсан хайлсан усан сангийн урсгалын талбайн нийт тархалт ижил төстэй бөгөөд өндөр хурдны талбай нь хайлсан усан сангийн төвд төвлөрдөг. Гол ялгаа нь хайлсан усан сангийн хэмжээ өөр бөгөөд илүү тархсан эрчим хүчний хуваарилалт бүхий дулааны эх үүсвэрийн загвар нь хайлах гүн, өргөнийг бага хэмжээгээр олж авдаг. Бодит өнгөлгөөний процесст процессын параметрүүд нь нарийн төвөгтэй байдаг тул 1-р хүснэгт нь зөвхөн лавлагааны зориулалттай бөгөөд дулааны эх үүсвэрийн загварыг бодит туршилтын нөхцлийн дагуу үндэслэлтэй сонгох хэрэгтэй.

3 Лазер бүрхүүлийн тоон загварчлалд чөлөөт шингэний гадаргуугийн судалгааны явц

Лазер бүрэх явцад хайлсан усан сангийн чөлөөт шингэн гадаргуу нь агаартай шууд харьцдаг бөгөөд энэ нь гадаргуугийн хурцадмал байдалд голчлон нөлөөлж, бүрээсийн давхаргын хэмжээсийн профайлыг шууд тодорхойлдог. Одоогийн байдлаар хайлсан усан сангийн чөлөөт гадаргууг судлах үндсэн аргууд нь тогтмол сүлжээн дээр суурилсан түвшин тогтоох арга, шингэний эзэлхүүний арга, хосолсон түвшний багц арга ба шингэний эзэлхүүний арга, фазын талбайн арга, Хөдөлгөөнт сүлжээнд суурилсан дурын Лагранж-Эйлерийн арга.

3.1 Түвшин тогтоох арга

Level Set (LS) арга нь isosuface function method[49] гэгддэг бөгөөд динамик интерфейсийг дүрслэхийн тулд зайны талбарын функцийг ашигладаг. Level Set аргыг анх олон фазын урсгалын интерфейсийг судлах зорилгоор санал болгосон бөгөөд одоо дүрс таних, интерфэйсийг сэргээн засварлах болон бусад салбарт ашиглаж байна. Лю нар.[50] Сонгомол лазер хайлуулах үед хайлсан металлын чөлөөт гадаргууг хянахын тулд Level Set аргыг ашигласан бөгөөд гадаргуугийн хурцадмал байдлын өөрчлөлтөөс үүссэн тогтворгүй эвдрэл нь хайлсан усан сангийн гадаргуу дээр орон нутгийн хонхорыг үүсгэж улмаар бүрээсийн гадаргуугийн барзгар байдалд нөлөөлдөг болохыг олж мэдсэн. үүссэний дараа давхарга. Гэсэн хэдий ч LS аргын тоон тархалт нь тооцооллын явцад харьцангуй ноцтой бөгөөд энэ нь массын хамгаалалтгүй асуудалд өртөмтгий байдаг.

3.2 Шингэний аргын эзэлхүүн

Volume of Fluid (VOF) арга нь эзлэхүүний бутархай функцийг тодорхойлох замаар чөлөөт интерфэйсийг тайлбарлаж, эзлэхүүний фракцыг нэг сүлжээнд шийдвэрлэх замаар интерфэйсийг дахин бүтээдэг. VOF арга нь LS аргаас илүү сайн массыг хадгалах чадвартай. Йе Чен [51] VOF аргад тулгуурлан лазер бүрээсний давхаргын хэмжээсийн профайлыг дуурайж, таамаглаж, симуляцийн үр дүнг ортогональ туршилтаар баталгаажуулсан. Хайлах өндөр, хайлах гүн, шингэрүүлэлтийн хурд зэрэг гурван бүлгийн өгөгдлийн харьцуулалтын үр дүнд 10% дотор хазайлт гарсан нь тоон загварын үнэн зөвийг нотолсон. Гэсэн хэдий ч VOF аргаар бүтээгдсэн чөлөөт интерфейсийн нарийвчлал хангалттай өндөр биш бөгөөд интерфэйсийн хэвийн чиглэлийн урсгалыг нарийн хянах боломжгүй байдаг [52]. Вэнь Баосиан нар. [53] нунтаг орчин дахь гэрлийн туяа тархах хуулинд үндэслэн нунтаг давхарга дахь лазерын энергийг хуваарилах биеийн дулааны эх үүсвэрийн загварыг чөлөөтэй программ хангамж дээр үндэслэн байгуулж, сонгодог VOF аргыг өөрчилж, VOF аргыг санал болгосон. нунтаг хайлсны дараа нурах үзэгдлийг загварчлахад ашиглана. Тооцооллын үр дүнгээс харахад нунтаг давхаргын эзэлхүүний өөрчлөлт нь хайлсан усан сан ба түүний эргэн тойрон дахь температурын орон ба хурдны талбар, түүнчлэн ажлын хэсгийн эцсийн морфологид нөлөөлнө.

3.3 Хосолсон түвшний багц арга ба шингэний эзэлхүүний арга

Coupled Level-set with VOF (CLSVOF) арга нь LS арга болон VOF аргын давуу талуудыг хослуулсан бөгөөд интерфэйсийг сэргээн засварлах нарийвчлал сайтай, массыг хадгалах чадвартай. Вэй нар. [54] LS арга болон VOF аргыг хослуулан лазерын халуун утсыг буулгах үеийн дулаан ба массын дамжуулалт болон чөлөөт гадаргуугийн урсгалыг судлах хосолсон олон фазын урсгалын загварыг санал болгосон. Энэхүү загвар нь хий/шингэний интерфейсийн 0.03 мм-ийн жижиг хэлбэлзлийг барьж чаддаг. Ван Сянью нар. [55] CLSVOF аргыг ашиглан хайлсан усан сангийн чөлөөт шингэний гадаргуугийн өөрчлөлтийг урьдчилан таамаглаж, хайлсан усан сангийн доторх массын шилжилтийг шинжилж, нэг төрлийн бус материалын лазер бүрэх бичил урсгалыг дуурайлган хийх олон фазын урсгалын загварыг санал болгосон. Туршилт болон загварчлалын хоорондох зөрүү 9% дотор байсан. Нэмж дурдахад, сонгомол лазер хайлуулах чиглэлээр Thorsten Heeling et al. [56] CLSVOF аргад тулгуурлан хайлсан усан сангийн тоон симуляцийн загварыг бий болгосон. Симуляци, туршилтаар олж авсан хайлмал усан сангийн хэмжээг шинжлэхэд хайлсан усан сангийн гүнийн хазайлт нь сканнердах хурд нэмэгдэх тусам нэмэгдэж, харин сканнердах хурд нэмэгдэх тусам хөндлөн огтлолын хэмжээ багасч байгааг тогтоожээ.

3.4 Фазын талбайн арга

Phase Field (PF) арга нь Гинзбург-Ландаугийн онол дээр үндэслэсэн бөгөөд интерфэйсийн түр зуурын өөрчлөлтийг дифференциал тэгшитгэлээр шийддэг [57]. VOF аргаас ялгаатай нь интерфэйсийг сэргээн засварлах шаардлагагүй. LS аргатай харьцуулахад энэ нь зайны функцийг эхлүүлэх уйтгартай байхыг шаарддаггүй. Тооцооллын хэмжээ нь харьцангуй бага бөгөөд жижиг масштабтай эсвэл гадаргуугийн хурцадмал мэдрэмжтэй чөлөөт шингэний гадаргуугийн асуудлыг шийдвэрлэх онцгой давуу талтай. Жин нар. [58] фазын талбайн аргад тулгуурлан лазер нунтаг давхаргын хайлалтын хоёр хэмжээст тоон симуляцийн загварыг байгуулж, Марангони нөлөө нь хайлсан цөөрөмд бөмбөлөг үүсгэх болно гэдгийг олж мэдсэн. Дахин хайлуулах процесс болон лазерын хүчийг нэмэгдүүлэх нь 22-р зурагт үзүүлсэн шиг нүхжилтийг арилгахад тусална.

3.5 Лагранжийн болон Эйлерийн дурын аргууд

Дурын Лагранж-Эйлерийн (ALE) арга нь интерфэйсийн хөдөлгөөний функцээр дамжуулан динамик интерфейсийг хянадаг. Энэ нь Лагранж ба Эйлериан гэсэн хоёр тодорхойлолтын аргын давуу талыг хослуулсан бөгөөд өндөр нарийвчлалтай чөлөөт шингэн гадаргуу болон шингэн-хатуу холбох асуудлыг шийдвэрлэхэд илэрхий давуу талтай. ALE арга дээр үндэслэн Tian et al. [59] нь COMSOL программ хангамжийг ашиглан олон физик параметр бүхий дулаан дамжуулалт ба шингэний урсгалын төгсгөлөг элементийн загварыг бий болгож, шингэрүүлэх хурд болон хайлсан усан сангийн геометрийн янз бүрийн процессын параметрүүдийн нөлөөг судалсан. Үр дүн нь тодорхой хязгаарт шингэрүүлэх хурд нь харьцангуй энерги-массын харьцаатай шугаман хамааралтай болохыг харуулж байна. Түүнчлэн хайлсан усан сан дахь шингэний урсгалыг дагалдан эрчим хүчний массын харьцангуй харьцаа нэмэгдэхийн хэрээр хайлсан усан сангийн ёроол дахь нуман хэлбэртэй хатуу-шингэний интерфэйс аажмаар гүехэнээс гүн рүү өөрчлөгддөг. 23-р зурагт үзүүлснээр Ган нар. [60] лазерын шууд тунадасжилтын олон фазын дулаан, масс дамжуулах загварыг бий болгож, хайлсан усан сангийн гадаргуугийн динамик өөрчлөлтийг хянахын тулд динамик торон технологид суурилсан ALE аргыг ашигласан бөгөөд хайлсан усан сангийн хэмжээ, найрлагын тархалтыг тооцоолсон. конвекц нь хайлсан усан сан дахь хайлшийн элементүүдийн массыг шилжүүлэх гол механизм юм.
Дүгнэж хэлэхэд, дээрх чөлөөт шингэний гадаргууг хянах аргуудын давуу болон сул талуудыг Хүснэгт 2-т нэгтгэн харуулав.

4 Лазер бүрхүүлийн хайлсан усан сангийн симуляцийн загварыг баталгаажуулах

Лазер бүрээсийн тоон симуляцийг судлахдаа тоон шинжилгээний үндэслэлтэй загварыг бий болгож, загварыг баталгаажуулах шаардлагатай. Одоогийн загварын баталгаажуулалт нь гол төлөв хайлсан усан сангийн температур, дүрс болон бусад дохиог олж авах, дохио боловсруулахад компьютерийн технологийг ашиглах, эцэст нь температурын талбайн болон урсгалын талбайн симуляцийн өгөгдөлтэй харьцуулах, баталгаажуулах замаар хийгддэг.

4.1 Температурын талбайн баталгаажуулалт

Лазер бүрхүүлийн хайлсан усан сангийн температурыг илрүүлэх нь контакт илрүүлэх ба контактгүй илрүүлэх гэж хуваагддаг [62]. Түгээмэл хэрэглэгддэг контактын температурыг илрүүлэх нь голчлон термопарын температурыг хэмжих замаар хийгддэг бөгөөд температур мэдрэгч нь хэмжих объекттой шууд харьцдаг. Давуу тал нь энгийн ажиллагаа, илрүүлэх өндөр нарийвчлал юм. Ли Янмин нар. [63] субстратын температурыг хэмжихэд термопар ашиглаж, тоон симуляцитай хослуулан хайлсан усан сангийн доторх температурын тархалтыг шинжилж, ойролцоогоор хайлсан усан сангийн температурын өөрчлөлтийг олж авсан. Лазер бүрхүүлийн хайлсан усан сангийн төв дэх температур хэт өндөр байдаг тул температур мэдрэгч нь хайлсан усан сангийн төв дэх температурыг хэмжих боломжгүй бөгөөд урт хугацааны өндөр температурт ажиллах орчин нь ашиглалтын хугацааг ихээхэн бууруулдаг. илрүүлэх төхөөрөмж. Тиймээс одоогийн хайлсан усан сангийн температурын хэмжилт нь контактгүй температурын хэмжилтийг ашигладаг. Лазер бүрхүүлийн хайлсан усан сангийн контактгүй температурын хэмжилт нь голчлон монохром температурын хэмжилт, колориметрийн температурын хэмжилт, CCD-ээр дамжуулан дүрсний дохио авах, температурын хэмжилтийг багтаадаг [64]. Пэн Ченг нар. [65] ANSYS программ хангамжийг ашиглан титан хайлшны нимгэн ханыг бүрэх явцад температурын талбайн тархалтыг загварчлан, хоёр өнгийн термометр ашиглан хөндий цагираган лазер бүрээсний хайлсан усан сангийн температурыг онлайнаар илрүүлэх системийг зохион бүтээж, бодит температурыг хэмжиж, баталгаажуулсан. симуляцийн үр дүн. Үр дүн нь хуримтлалын давхарга дээшээ хуримтлагдах тусам дулааны хуримтлалын үзэгдэл илүү ноцтой болж байгааг харуулж байна. Forien нар. [66] өндөр температурт диодын температурын хэмжилт, өндөр хурдны дүрслэлийн технологийг ашиглан лазерын нунтаг давхарга хайлуулах процесс дахь хайлсан усан санг илрүүлэх системийг зохион бүтээсэн. Тэд пирометрийн дохионы өөрчлөлт нь нүх үүсэх талбайтай холбоотой болохыг олж тогтоосон бөгөөд өндөр температурын дохионы шилжилтийн бүсэд нүх үүсэх магадлал эрс нэмэгдсэн (5%~95%).

4.2 Урсгалын талбайн баталгаажуулалт

Хайлсан усан сангийн урсгалын талбайн баталгаажуулалт нь үндсэндээ газар дээр нь илрүүлэх ба газар дээр нь илрүүлэх гэсэн хоёр төрлийг агуулдаг. In-situ илрүүлэх нь лазер бүрэх явцад бодит цагийн хайлсан усан сангийн гадаргуугийн морфологийн дүрсийг олж авахын тулд ихэвчлэн CCD камер эсвэл CMOS камер ашигладаг. Зургийг боловсруулсны дараа үүнийг баталгаажуулахын тулд симуляцийн өгөгдөлтэй харьцуулна. Вирт нар. [67] хайлсан усан сангийн гадаргуугийн урсгалын хууль болон бөөмийн хөдөлгөөний хурдыг олж авахын тулд лазер бүрээстэй өндөр хурдны камерын дүрсийг онлайнаар авах системийг зохион бүтээсэн (Зураг 24-т үзүүлэв). Шинжилгээгээр хайлсан усан сангийн орон нутгийн урсгалын чиглэл нь үйл явцын параметрүүдэд нөлөөлж, тодорхой санамсаргүй байдалтай болохыг тогтоожээ. Ихэнх тоон загварчлалд хайлсан усан сан дахь шингэн нь ламинар урсгал гэсэн таамаглал нь симуляцийн үр дүнд тодорхой нөлөөлнө. Хуан Жианкан нар. [68] хайлсан усан сангийн гадаргуугийн урсгалын төлөв байдлыг судлахын тулд хайлсан усан сангийн толин тусгал дүрслэх системтэй хослуулан тоосонцор илрүүлэх аргыг ашигласан. Бодит хайлсан усан сангийн өргөн ба видео өгөгдлийн пикселийн өргөн хоорондын зураглалын хамаарлыг тохируулснаар тэд хайлсан усан сангийн гадаргуугийн урсгалын хурд нь ойролцоогоор 12 мм/с (304 зэвэрдэггүй ган) ба 15 мм/с (Q235 нүүрстөрөгч) болохыг тооцоолсон. ган). In-situ илрүүлэх нь туршилтын дээжийн хэмжээ, механик шинж чанарыг голчлон илрүүлж, дараа нь тэдгээрийг симуляцийн өгөгдөлтэй харьцуулж баталгаажуулдаг. Ву Жиажү [68] лазерын шууд металл хуримтлуулах үйл явцын дулаан дамжуулах механизмыг судалж, туршилтаар олж авсан дээжийн хайлах гүн, тунадасжилтын давхаргын өндрийг хэмжиж, симуляцийн аргаар олж авсан хайлсан усан сангийн хэлбэрийн профайлын өгөгдөлтэй харьцуулж, уг загвар нь үүсэж байгааг баталгаажуулсан. урьдчилан таамаглах өндөр нарийвчлалтай (≥95%).

5 Дүгнэлт ба хэтийн төлөв

Лазер бүрээсийн температурын орон ба урсгалын талбайн загварчлал нь хайлсан усан сангийн металлургийн динамик шинж чанарыг илрүүлэхэд тустай боловч дараах асуудлууд байсаар байна.

1) Хайлсан усан сангийн урсгалын талбайн симуляцийн судалгаанд хилийн нөхцөл төгс биш байна. Ерөнхийдөө хайлсан усан сан дахь шингэнд үзүүлэх хүчийг зөвхөн гадаргуугийн хурцадмал байдал, таталцал, хөвөх чадварыг харгалзан үздэг бөгөөд хамгаалалтын хийн даралт, хайлаагүй нунтаг хэсгүүдийн хайлсан усан сангийн гадаргууд үзүүлэх нөлөөллийг бага гэж үздэг. .

2) Хайлсан усан сан доторх температурын талбай ба урсгалын талбайн өөрчлөлтийг судлах явцад зарим судлаачид төгсгөлийн элементийн загварыг бий болгохдоо бүрхүүлийн давхаргын хэлбэрийг урьдчилан тогтоох эсвэл хайлсан усан сан хавтгайд байрладаг гэж таамаглах болно. , хайлсан усан сангийн шингэн/хийн чөлөөт гадаргууг үл тоомсорлож байгаа нь хайлсан усан сангийн хөдөлгөөн ба шингэн/хийн интерфейсийн шинжилгээ, түүнчлэн хайлсан усан сангийн урсгалын механизмыг судлахад эдгээр загваруудын нарийвчлалыг хязгаарладаг.

3) Ихэнх судалгаанууд нь хэвтээ суурь дээр суурилдаг боловч засвар хийх шаардлагатай хэсгүүд нь ихэвчлэн нарийн төвөгтэй хэлбэртэй, хэвтээ бус суурь гадаргуу дээр байдаг. Тиймээс хэвтээ бус суурь гадаргуу дээр лазер бүрэх нь нэмэлт судалгаа шаарддаг.

Дээрх дутагдалтай талуудыг харгалзан дараах сайжруулах арга хэмжээг санал болгож байна.

1) Хилийн нөхцлийг сайжруулах. Хамгаалах хийн даралтыг туршилтаар хэмжиж, тоо хэмжээг тогтоож, хайлсан усан сангийн гадаргуу дээр хилийн нөхцөл болгон нэмнэ.

2) Тоон загварыг сайжруулах. Лазер бүрэх хошууны нунтаг урсгалын талбайн симуляцийн судалгаа аль хэдийн маш боловсронгуй болсон. Бид загварчлалын явцад бүрэх давхарга үүсгэхийн тулд нунтаг материалыг нэгэн зэрэг нэмэхийн тулд салангид фазын загварыг нэгтгэж, олон фазын урсгалын дулаан, масс дамжуулах тохиромжтой загварыг бий болгохыг оролдож болно.

3) Хувцасны давхарга үүсэх механизм, хувьслын үйл явцыг хайлсан усан сангийн дотоод хүчинтэй хослуулан шинжлэх ба хувьсах байрлал дахь хайлсан усан сангийн урсгалын төлөв байдал, морфологийн өөрчлөлтийг шинжлэх ухааны үндэслэлтэй тайлбарлах нь дараагийн гол судалгаа болно. чиглэл.