Kreftene som virker på laserkledningssmeltebassenget er kort beskrevet, inkludert overflatespenning, viskøs skjærkraft, tyngdekraft og beskyttelsesgasstrykk, og dannelsesmekanismen til kledningslaget analyseres kort fra perspektivet til vevsvekst og smeltet bassengstrøm. Samtidig oppsummeres energifordelingslovene og ligningene til forskjellige varmekildemodeller som brukes i laserbekledningssimulering, inkludert overflate-gaussisk varmekilde, overflateringformet varmekilde, gaussisk kroppsvarmekilde, ellipsoidal varmekilde og kombinert kroppsvarmekilde. På dette grunnlaget, forskningsfremgangen i numerisk simulering av temperaturfeltet og strømningsfeltet til laserbekledning smeltet basseng i inn- og utland de siste årene er klassifisert og gjennomgått, og fordeler og ulemper ved ulike varmekildemodeller analyseres. Det gjeldende miljøet til forskjellige varmekilder og distribusjonslovene til det oppnådde temperaturfeltet og strømningsfeltet er oppsummert. I tillegg er forskningsmetodene for den frie væskeoverflaten til det smeltede bassenget oppsummert, og verifikasjonsmetodene til de numeriske simuleringsmodellene av temperaturfeltet og strømningsfeltet oppsummeres. På samme tid, i lys av problemene som eksisterer i den numeriske simuleringsforskningen av laserkledningssmeltebassenget, er de oppsummert fra aspektene ved numeriske modeller og grenseforhold, og til slutt prospekteres den fremtidige utviklingsretningen.

Laserkledning er en ny prosess for overflatemodifisering og reparasjon av materialer. Den tilfører kledningsmateriale til underlagsoverflaten ved å spre eller tilføre pulver, og bruker en høyenergilaserstråle for raskt å smelte kledningslagmaterialet for å danne et kledningslag med god metallurgisk binding på underlagets overflate, og dermed endre sammensetningen av underlaget. overflate og forbedring av overflateegenskapene til materialet [1]. Under laserkledningsprosessen er det smeltede bassenget ikke-støt og vil bli forstyrret av Marangoni-strømning, pulverinjeksjon, pulvertilførsel, turbulens i dekkgassen og variable prosessparametere [2]. Et stort antall studier har vist at Marangoni-kraften drevet av overflatespenning har en viktig innflytelse på strømmen av smeltebassenget [3-4], som også er en nøkkelfaktor for å bestemme morfologien og fortynningen av kledningslaget. Strømningsoppførselen i smeltebassenget har en direkte innvirkning på utviklingen av materialstrukturen. Væskedynamikken og den geometriske utviklingen til det flytende smeltede bassenget er direkte relatert til de mekaniske egenskapene til det additive produksjonsmaterialet. Siden smeltebassenget dannes på ekstremt kort tid og smeltebassengstørrelsen er liten, er det nesten umulig å nøyaktig overvåke den øyeblikkelige utviklingen av smeltebassenget i sanntid under eksperimentet. Derfor, med utviklingen av datateknologi, har numerisk simulering av den dynamiske strømningsatferden inne i det smeltede bassenget gjennom finite element-simulering blitt hovedstrømmen. I den numeriske simuleringen av smeltet basseng med laserkledning er en rimelig varmekildemodell nøkkelen til å oppnå nøyaktige numeriske simuleringsresultater. Generelt er den tilsvarende varmekildemodellen etablert i henhold til laservarmekilden som kreves av de faktiske arbeidsforholdene. Ekstinksjonslengden til materialet avhenger hovedsakelig av absorpsjonskoeffisienten til materialet til en spesifikk laserbølgelengde. I henhold til utryddelseslengden til materialet til laseren, kan varmekildemodellen i laserbekledningsprosessen deles inn i overflatevarmekilde og kroppsvarmekilde. Hvis laseren virker på overflaten av materialet, avtar laserenergien til 0 etter en kort overføringsavstand. Det kan antas at energien er fullstendig absorbert på overflaten av materialet, og absorpsjonen av laserenergien av matrisematerialet kan kalles overflateabsorpsjon; hvis overføringsdybden er dyp, til og med over materialtykkelsen, kan det kalles kroppsabsorpsjon [5].

Denne artikkelen beskriver først kort dannelsesmekanismen for smeltet basseng med laserkledning, og klassifiserer og vurderer deretter forskningsfremgangen til numerisk simulering av smeltet basseng med laserkledning under flere mye brukte varmekildemodeller, oppsummerer forskningsstatusen til smeltet bassengtemperaturfelt og numerisk strømningsfelt. simulering under forskjellige varmekilder, og ser til slutt frem til simuleringsproblemet med smeltet basseng med laserkledning.

1 Formasjonsmekanisme for laserkledning av smeltet basseng

Under laserkledningsprosessen er energitettheten til laserinngangen høy. Varmeledning og konveksjon styrer den fysiske utviklingen av smeltebassenget og bestemmer direkte temperaturfeltet og strømningsfeltfordelingen i smeltebassenget. Laserbekledningen smeltet basseng kan nå likevekt på svært kort tid, der det er en stor temperaturgradient og rask syklisk konveksjon. Den fokuserte laserstrålen bestråles på metallsubstratet, substrattemperaturen stiger, og den smelter for å danne et smeltet basseng. Munnstykket sprayer metallpulveret inn i det smeltede bassenget synkront. Det flytende metallet i det smeltede bassenget konvekterer under påvirkning av Marangoni-spenningen. Temperaturen inne i smeltebassenget blir gradvis jevn. Smelten strømmer til kanten av smeltebassenget, når overflaten av smeltebassenget og størkner til et kledningslag. Song et al. [6] analyserte dannelsen av det smeltede bassenget, det indre konveksjonsmønsteret og størkningsoppførselen til kledningslaget.

Kreftene i smeltebassenget er komplekse. Den viktigste drivkraften for strømmen av væske i det smeltede bassenget er Marangoni-strømmen generert av balansen mellom oppdrift og overflatespenningsgradient og viskøs skjærkraft [7]. Shi Jianjun [8] analyserte den tredimensjonale kraften til det smeltede bassenget. Kraftanalysen av smeltebassenget er vist i figur 1, som i hovedsak inkluderer overflatespenning Fγ, viskøs skjærkraft Fμ, gravitasjon G og dekkgasstrykk Fp, og θ er substratavbøyningsvinkelen. Under den kombinerte virkningen av overflatespenning, tyngdekraft, viskøs skjærkraft og dekkgasstrykk, danner det smeltede metallet en dynamisk balansert metallsmeltet pool. Blant dem har overflatespenningen størst innvirkning på det smeltede bassenget, og strømmen av væsken i det smeltede bassenget er hovedsakelig drevet av Marangoni-konveksjon drevet av overflatespenning.

2 Forskningsfremdrift av varmekildemodell for numerisk simulering av laserkledning

2.1 Overflate gaussisk varmekilde

Foreløpig bruker de fleste numeriske simuleringer av laserkledning Gaussisk varmekildemodell, som vist i figur 2. Laserenergien er normalt fordelt i rommet, med mer i sentrum og mindre ved kanten, noe som stemmer overens med selve prosesseringsprosessen. Imidlertid ignoreres energifordelingen i dybderetningen til smeltebassenget, så det er ikke egnet for arbeidsforhold med et dypere smeltebasseng.

Uttrykket for varmefluksdensitetsligningen er: Se formlene (1) og (2) i figuren. Hvor: q(r) er overflatevarmefluksen ved radius r, W/m2; R er avstanden fra midten av stedet, m; c er varmeflukskonsentrasjonskoeffisienten, m2; qm er maksimal varmefluks i midten av varmekilden, W/m2; P er lasereffekten, W; η er laserutnyttelsesgraden.

Gaussisk overflatevarmekilde er egnet for prosessforhold med liten smeltet bassengbredde og -dybde og kledningslagtykkelse. For numerisk simulering av smeltet bassengtemperaturfelt, Wang Zhijian et al. [10] brukte gaussisk overflatevarmekilde for å numerisk simulere størkningsprosessen til enkeltpass-lasersmeltet basseng av TC4 titanlegering. Studien fant at i enkeltpasslaserkledning, på grunn av den raske varmeoverføringen ved halen, er varmen ved forenden av smeltebassenget mer konsentrert enn i bakenden, og den smeltede dybden er større. Med økningen av laserkraft, øker smeltebassengets smeltedybde og rekkevidden til den varmepåvirkede sonen gradvis på grunn av økningen i energitilførselen. Pant et al. [11] etablerte en blandingsmodell for smeltet basseng basert på den endelige elementmetoden og studerte varmeoverføringsoppførselen til smeltebassenget under laseravsetningssmelting. Resultatene viser at det smeltede bassenget er elliptisk foran og kometformet med en strukket hale. Bredden på det smeltede bassenget øker med økningen av laserkraft (som vist i figur 3). Avkjølingshastigheten øker med økningen av skannehastigheten, og økning av lasereffekten vil øke temperaturgradienten i smeltebassenget, og kjølehastigheten vil øke tilsvarende.

I tillegg har noen forskere studert den tredimensjonale morfologisimuleringen av det smeltede bassenget under gaussisk overflatevarmekilde. Fallah et al. [12] foreslo en transientsimulering med finite element-modell for å forutsi størrelsen og morfologiutviklingen til det smeltede bassenget under laserpulveravsetning. Resultatene viste at den simulerte forutsagte profilen for smeltet basseng var nær eksperimentet,
men det ble ikke gjort noen spesifikk analyse på temperaturfeltet og strømningsfeltet til det smeltede bassenget. Gao et al. [13] etablerte en tredimensjonal numerisk prediksjonsmodell for enkeltpassbehandling under laserkledning. Ved å bruke gaussisk distribusjonsvarmekilde og basert på fødsels- og dødsenhetsmetoden, trenger ikke den geometriske formen på kledningslaget å forhåndsinnstilles. Det transiente temperaturfeltet og geometriske strukturen til kledningslaget beregnes samtidig. Den oppnådde kledningsformen stemmer godt overens med forsøksresultatene, som vist i figur 4. I tillegg analyserte de også påvirkningen av prosessparametere på temperaturfeltet og geometrisk form til kledningslaget.

Noen forskere vil forhåndsinnstille den tredimensjonale formen til kledningslaget på forhånd når de bruker gaussisk overflatevarmekilde for å simulere strømningsfeltet for smeltet basseng. Liu Han et al. [14] etablerte en tredimensjonal modell basert på den faktiske avsetningslagstørrelseskonturen i den numeriske simuleringsstudien av temperaturfeltet og spenningsfeltet i laseravsetningens tredimensjonale formingsprosess. På dette grunnlaget ble en finitt element-modell av det smeltede bassenget med silkepulver-synkron laseravsetning etablert, og fordelingsloven til strømningsfeltet for smeltet basseng ble oppnådd. To symmetrisk fordelte sirkulasjoner dannes på tverrsnittet av smeltebassenget, og det genereres to radielle sirkulasjoner, en sterk foran og en svak bak. Væskefordelingen på den øvre overflaten av det smeltede bassenget viser en diffusjonslov fra sentrum til kanten. Li et al. [15] etablerte en flerfelts koblingsmodell av disklaserbekledningsprosessen basert på COMSOL-programvare, og beregnet de termiske fysiske egenskapene til materialet ved å bruke CALPHAD-metoden. Ved å bruke en gaussisk overflatevarmekilde ble interaksjonen mellom laserstrålen og pulveret og spenningsforholdene inne i det smeltede bassenget grundig vurdert, og endringsloven for temperaturfeltet og strømningsfeltet under disklaserbekledningsprosessen ble oppnådd. Det smeltede bassenget er ellipsoidalt, og den høyeste temperaturen oppstår på baksiden av midten av det smeltede bassenget. I det tidlige stadiet av kledning er strømningshastigheten til smeltebassenget lav, og varmeledning spiller en stor rolle i energioverføringen til smeltebassenget; ettersom kledningsprosessen fortsetter, akselererer strømningshastigheten til det smeltede metallet i det smeltede bassenget, og varmekonveksjon spiller en stor rolle på dette tidspunktet, som vist i figur 5 og 6.

2.2 Overflate ringformet varmekilde

Den ringformede overflatevarmekilden er en varmekildemodell unik for numerisk simulering av hul ringformet laserkledning. Den er basert på den nye hule ringformede laserbekledningsprosessen med "hul stråle og pulvermating i strålen", som har unike fordeler i forhold til den tradisjonelle "solid laser" kledningen. Dens grunnleggende prinsipp er å konvertere den solide bjelken til en hul ringformet bjelke gjennom bjelkekonverteringssystemet [16-17], slik at energifordelingskonsentrasjonsområdet endres fra senter til ytterkant (som vist i figur 7), som kan eliminere fenomenet med ufullstendig smelting ved kanten av den smeltede kanalen forårsaket av Gaussisk solid laserkledning og forbedre ulempen med dårlig metallurgisk binding [18].

Energifordelingen i det ringformede området er også som en gaussfordeling, og energifordelingsfunksjonen er: Se formel (3) i figuren. Hvor: R0 er den ytre diameteren til laseren i brennpunktet, mm; z er ufokuseringen, mm; φ er vinkelen mellom den hule laserstrålen og den horisontale retningen; ξ er energitoppposisjonskoeffisienten.

Tian Meiling et al. [18] brukte ANSYS endelig elementanalyseprogramvare for å simulere temperaturfeltet til det ringformede hule lasersmeltebassenget og utførte en teoretisk analyse av den tredimensjonale strømningsfeltfordelingen. Strømningsfeltet til det hule laserkledningssmeltebassenget viste en symmetrisk fire-ring strømningsfordeling, som vist i figur 8. Shi Gaolian [20] brukte ANSYS endelige element-programvare og basert på den hule ringformede varmekildemodellen på overflaten for å simulere den forbigående temperaturen feltet av det smeltede bassenget av 45 stålprøvekledning Fe313-legering, og oppnådde utviklingsloven til temperaturfeltet til det hule laserkledningssmeltede bassenget. På grunn av varmeakkumuleringseffekten under kledningsprosessen, øker temperaturen i smeltebassenget gradvis med økende skannetid og høyde. Formen, posisjonen og energitetthetsfordelingen til det smeltede bassenget og kvaliteten på den dannede delen vil endre seg betydelig med endringen i driftssyklusen. Li Guangqi et al. [21] simulerte lasting av hulringlaser basert på ANSYS-programvare ved bruk av APDL-språk kombinert med fødsels-dødsenhetsmetoden og oppnådde distribusjonsloven til temperaturfeltet til kledningslaget. Den totale fordelingen av temperaturfeltet under kledningsprosessen var "kometformet". I den innledende fasen av skanningen viste flekken en fullstendig ringform med samme teoretiske energifordeling. Etter hvert som skanningsprosessen skred frem, beveget høytemperaturområdet seg bakover som en helhet, og utviklet seg gradvis fra en ringform til en sadelform, som vist i figur 9. Dette bekrefter egenskapene til den hule ringlaserenergien på "lav i midten" og høyt i kanten”. I tillegg viste overflatelaget til kledningslagets temperaturfelt en "dyp dalform", med høy på begge sider og lav i midten, og i kledningslagets dybderetning avtok temperaturen gradvis med økende dybde. , som vist i figur 10.

2.3 Gaussisk kroppsvarmekilde

I selve laserkledningsprosessen beveger laserstrålen seg med en viss hastighet, og energifordelingen er ikke jevn, spesielt energifordelingen til lyskilden vinkelrett på skanneretningen er ganske annerledes, og overflatevarmekildemodellen kan ikke trenge inn i det smeltede bassenget. Derfor ble kroppsvarmekilden til. Laserenergien til kroppsvarmekilden avsettes ikke bare på overflaten av pulverlaget, men kan også trenge inn i innsiden av kledningslaget, noe som forbedrer beregningsnøyaktigheten til det forbigående temperaturfeltet eller strømningsfeltet til det smeltede bassenget [ 22]. Noen forskere har etablert en roterende gaussisk kroppsvarmekilde basert på den gaussiske overflatevarmekildemodellen, som vist i figur 11. Den roterende Gauss-overflatekroppen dannes ved å rotere Gauss-kurven rundt sin symmetriakse. Forutsatt at varmekildeenergien er all fordelt inne i denne overflatekroppen, er varmeflukstettheten i tverrsnittet Gauss-fordeling.

Energifordelingsfunksjonen er: se formlene (4) og (5) i figuren. Hvor: e er den naturlige basen; R0 er radien til varmekildeåpningen; H er varmekildens høyde; Q er varmekildens effekt.

Gaussisk varmekilde er den mest brukte varmekildemodellen for numerisk simulering av laserkledning smeltet basseng. Zhang Kerong et al. [24] simulerte numerisk den forbigående prosessen med laser dypsmeltende sveising av TC4 titanlegeringsnøkkelhull basert på den roterende gaussiske volumvarmekildemodellen, og analyserte videre påvirkningen av forskjellige prosessparametere på nøkkelhullets morfologi i kombinasjon med eksperimenter. Studien viste at med økningen av laserenergitetthet, økningen av laserkraft eller reduksjon av punktdiameter, økte dybden av nøkkelhullet og størrelsen ble bredere. Flekkdiameteren er den prosessparameteren som har størst innflytelse på nøkkelhullets morfologi. Sun et al. [25] simulerte pulverpartiklene av laserretningsenergiavsetning basert på flytende programvare ved bruk av en diskret fasemodell, og analyserte morfologien til pulveravsetningslaget og fordelingen av temperatur- og hastighetsfelt i kombinasjon med den Gaussiske varmekildemodellen. Resultatene viser at i høyhastighets laserenergi direkte avsetning, er den nedadgående strømningshastigheten i pulverhandlingsområdet dominerende på grunn av trykket forårsaket av pulvermating, som vist i figur 12.

I den numeriske simuleringen av smeltet bassengmorfologi basert på gaussisk varmekilde. Chai et al. [26] etablerte en numerisk modell av laserkledning på et skrånende underlag basert på den cellulære automatmetoden og simulerte påvirkningen av forskjellige helningsvinkler på det relative tverrsnittsarealet, bredden, høyden og toppunktforskyvningen til kledningslaget, som vist i Figur 13. Resultatene viser at det relative tverrsnittsarealet først øker, deretter avtar, og deretter har en tendens til å være stabilt med økningen av substratets helningsvinkel; bredden på kledningslaget øker med økningen av helningsvinkelen, og høyden øker først og avtar deretter; med økningen av substratets helningsvinkel, blir tyngdekraftskomponenten til kledningslaget større og større, og toppunktforskyvningen øker gradvis.

2.4 Ellipsoid varmekilde

Energifordelingen i smeltebassenget i laserkledning er ofte ikke et tredimensjonalt Gaussisk rotasjonslegeme. For mer nøyaktig å simulere størrelsen og formen til det smeltede bassenget, foreslås en ellipseformet distribusjonskroppsvarmekilde. Det finnes to typer ellipsoide varmekilder: en enkelt ellipsoidal varmekilde med front-to-back symmetri og en dobbel ellipsoidal varmekilde med forskjellig front-to-back energifordeling. I de tidlige dagene foreslo noen forskere en halvkuleformet varmekilde [27], og dens energifordelingsfunksjon er: se formel (6) i figuren. Hvor: q(x,y,z) er varmeflukstettheten til punktet (x,y,z) på koordinatsystemet; c er radiusen til kulen; Q er varmetilførselshastigheten.

I følge et stort antall eksperimentelle observasjoner er ikke selve varmekilden symmetrisk fordelt foran og bak. Derfor foreslo forskerne en dobbel ellipsoid varmekilde (som vist i figur 14), med de fremre og bakre delene som henholdsvis to 1/4 ellipsoider.

Dens fremre og bakre energifordelingsfunksjoner er: Se formel (7) i figuren. Hvor: qf og qr er varmefluksfordelingen i henholdsvis fremre og bakre halve ellipsoider; af og ar er halvaksene til henholdsvis fremre og bakre halve ellipsoider; bh og ch er de to andre halvaksene til henholdsvis de fremre og bakre halve ellipsoidene, og de to korte halvaksene til de to ellipsoidene er like; ff og fr er andelene av varmetilførsel i henholdsvis fremre og bakre halve ellipsoider, og ff + fr = 1.

På grunn av den store størrelsen på det smeltede bassenget som genereres av den ellipsoide varmekilden, er det mye brukt i numerisk simulering av laserbehandlingsprosesser som lasersveising [29-30] og forhåndsinnstilt laserkledning. Hocine et al. [31] analyserte forskjellene mellom tre varmekildemodeller (ellipsoid varmekilde, dobbel ellipsoid varmekilde og sylindrisk varmekilde) ved å simulere utviklingen av temperaturfeltet og konturen til det smeltede bassenget ved selektiv lasersmelting. Resultatene viste at de tre varmekildemodellene har sine egne unike fordeler ved beregning av temperaturfeltet og konturene til smeltebassenget. Den sylindriske varmekilden er egnet for å beregne temperaturfeltet til smeltebassenget, mens den ellipsoide varmekilden har høyere nøyaktighet i beregning av konturen til smeltebassenget. Luo Xinlei et al. [32] brukte ANSYS APDL for å simulere temperaturfeltet for enkanals selektiv lasersmelting og sammenlignet simuleringsresultatene under den gaussiske overflatevarmekilden og den doble ellipsoide varmekilden. Resultatene viser at den doble ellipsoide varmekilden har bedre samsvar med de eksperimentelle resultatene enn den gaussiske overflatevarmekilden fordi dens energifordeling er nærmere den faktiske laservarmekilden. I prosessen med selektiv lasersmelting, uten å endre laserinngangsenergitettheten, vil økning av laserkraften og skanningshastigheten øke dybden og bredden til det smeltede bassenget betydelig, som vist i figur 15.

Noen forskere har også utført dyptgående forskning på temperaturfeltendringene til det smeltede bassenget under forskjellige prosessparametere. Hao Xiaojie [33] brukte ABAQUS-programvare for å analysere variasjonen i temperaturfeltet under selektiv lasersmelting. Han brukte en dobbel ellipsoid varmekilde, som fordelte laserenergiinngangen i et visst volum og påførte den på nodene til materialmodellen i form av varmeflukstetthet. Han studerte påvirkningen av ulike prosessparametere på temperaturfeltet under lasersmelting. Når bare lasereffekten øker, øker den gjennomsnittlige oppvarmingshastigheten og kjølehastigheten i det smeltede bassenget og størrelsen på det smeltede bassenget tilsvarende; når bare skannehastigheten øker, øker den gjennomsnittlige oppvarmingshastigheten og kjølehastigheten i smeltebassenget jevnt, mens størrelsen på smeltebassenget reduseres relativt; skanningsavstanden påvirker omsmeltingseffekten mellom smeltekanalene, mens pulvertykkelsen påvirker bindingseffekten mellom skanningslagene.

2.5 Kombinert varmekilde

Enkeltvolumsfordelingsvarmekilden forenkler distribusjonsloven til varmekilden i dybderetningen til det smeltede bassenget, og skiller ikke fordelingsforskjellen av laserenergi på overflaten og innsiden av smeltebassenget [34]. Derfor utledes kombinerte varmekilder, for eksempel segmentert kroppsvarmekilde, dobbel ellipsoidkjegle kombinert varmekilde og kombinert varmekilde som kombinerer gaussisk overflatevarmekilde og kroppsvarmekilde. Den kombinerte varmekilden kombinerer fordelene med overflatevarmekilden og kroppsvarmekilden, er mer i tråd med de faktiske arbeidsforholdene og har høyere simuleringsnøyaktighet. I den kombinerte varmekilden er overflatevarmekilden generelt en gaussisk varmefluksdistribusjon overflatevarmekilde, og kroppsvarmekilden er generelt en lineært dempet gaussisk sylindervarmekilde eller en roterende kroppsvarmekilde med avtagende varmefluks [35].

Cai Haipeng et al. [36] forbedret sveisevarmekilden på grunnlag av den bevegelige gaussiske varmekilden, etablerte en segmentert varmekildemodell, brukte grove gitter og passende varmekildesegmentering for å beregne sveisedeformasjonsproblemet, og kombinerte den lokale raffinerte grid-teknologien for å simulere stress evolusjon. Wang Qibing et al. [37] brukte en kombinert varmekilde som kombinerte den øvre delen av den doble ellipsoide varmekilden og den nedre delen av den Gaussiske roterende kroppsvarmekilden for å simulere det smeltede bassengvarmen og strømningsfeltet under laser-MIG hybridsveisingen av Invar stål. Resultatene viste at feltfordelingen i smeltet basseng simulert av den kombinerte varmekilden var i utgangspunktet i samsvar med de faktiske eksperimentelle resultatene. Xie Yinkai et al. [38] etablerte en kombinert varmekilde av en parabolsk roterende kroppsvarmekilde (nedre halvdel) og en sylindrisk varmekilde (øvre halvdel) (som vist i figur 16) for å simulere de spesifikke forstyrrelsene av smeltet bassengstørrelse, smeltestrøm og gass -Væskefritt grensesnitt under laserselektiv smelting. I enkelt-pass kledning dominerer skannehastighet og pulverlagtykkelse faktorene for poredannelse. For multi-pass kledning er faktorene som påvirker poredannelse hovedsakelig skanningsavstand, og antall porer øker med økningen av skanningsavstand.

Wang Yiwen et al. [39] etablerte en tredimensjonal symmetrisk numerisk modell for forbigående bevegelse og varme- og masseoverføring av det smeltede bassenget basert på Fluent-programvare. Ved å bruke en tredimensjonal halvkuleformet gaussisk varmekilde, ble utviklingsprosessen og strømningsoppførselen til grensesnittet mellom væske og gass i smeltet basseng under forskjellige prosessparametere analysert, og forholdet mellom strømning, temperatur og smeltet bassengstørrelse og overflatekvalitet ble etablert, som vist. i henholdsvis fig. 17 og 18. Resultatene viser at morfologien til enkelt-pass kledningslaget oppnådd ved eksperimentet og simuleringen er lik. Etter at et stabilt smeltet basseng er dannet, strømmer væsken i smeltebassenget fra høytemperaturområdet til lavtemperaturområdet i en radiell form, og strømningshastigheten øker gradvis fra midten til utsiden. Kameraet overvåker strømmen av slagget i sanntid og strømningsretningen til det simulerte strømningsfeltet er konsistent.

2.6 Andre varmekildemodeller

Med videreutviklingen av datateknologi har noen forskere ytterligere optimalisert den eksisterende varmekildemodellen i henhold til faktiske arbeidsforhold og etablert en ny varmekildemodell. I tillegg kan numeriske simuleringer under noen spesielle prosessforhold også oppnås gjennom spesifikke varmekildemodeller, for eksempel bredbånds laserstrålevarmekildemodell, hulringvarmekildemodell, etc.

Lei Dingzhong et al. [40] brukte TracePro-programvare for å simulere og analysere lysbanen og fordelingen av den fokuserte punktlysfluksen W dannet av bredbåndslaserbekledningsdysen med pulvermating i lyset, og etablerte en tredimensjonal matematisk modell av hulringens bredbånd laser på speiloverflaten. Tseng et al. [41] foreslo en laservarmekildemodell basert på SYSWELD-programvare, analyserte omfattende innflytelsen av laserstrålekarakteristikker og prosessparametere på temperaturfeltet og formen på kledningslaget, og designet en numerisk modell for eksperimentell verifikasjon av laserkledning, som kan brukes på numerisk simulering av andre laserbehandlingsprosesser. Liu et al. [42] etablerte en bredbånds laserstråle varmekildemodell, og dens energifordelingsfunksjon er: se formel (8) i figuren.
Hvor: I0=αβP/(wd). α er laserabsorpsjonskoeffisienten, α=0.75; β er effekteffektiviteten, β=0.98; P er laserkraften; d er bredden av bredbåndslaserpunktet, d=1.5 mm; w er lengden på bredbåndslaserpunktet, w=15 mm. Liu et al. [42] studerte temperaturfeltet og spenningsfeltet til et enkelt-pass kledningslag i bredstrålelaserbekledning, hvor temperaturfeltfordelingen er vist i figur 19. Kombinert med temperaturdataene, lengden, bredden og dybden til smeltet. pool ble beregnet. Samtidig ble effekten av prosessparametere som laserkraft og skanningshastighet på smeltebassengstørrelsen, temperaturgradient, kjølehastighet og størkningshastighet diskutert. I tillegg ble den termiske spenningsfeltfordelingen av kledningslaget i ulike retninger og på ulike baner også studert.

Feng Yiqi [43] etablerte en selektiv lasersmeltende væskemekanikkmodell for smeltet basseng. Basert på energidempningsegenskapene til laseren inne i pulverbedet, ble det brukt en laserintensitetsdempende kroppsvarmekilde i simuleringen: se formel (9) i figuren.
Simuleringsresultatene av pulverspredningsmodellen ble importert inn i væskemekanikkmodellen for smeltet basseng for å forutsi strømningsoppførselen til det smeltede bassenget, og det ble gjort en grundig analyse av forholdet mellom strømningsoppførselen, hull og kuledannelseseffekten til det smeltede bassenget. basseng i multi-pass kledning. Resultatene viser at bunnflaten av tilsetningsmaterialet har en tettere pulverfordeling enn den flate bunnflaten. På grunn av den store usikkerheten til smeltebassengstrømmen, skjer sfæroidiseringsfenomenet hovedsakelig på bunnoverflaten av tilsetningsmaterialet, og de usmeltede hullene produseres for det meste ved smeltekanalens innsnevring mellom flere kledningslag, som vist i figur 20.

Song et al. [44] har omfattende vurdert dempningseffekten av interaksjonen mellom pulverstrålen og laseren og kjøleribbeeffekten av de usmeltede pulverpartiklene som kommer inn i det smeltede bassenget. Basert på COMSOL-programvaren ble det etablert en varmekildemodell for å simulere smeltestrømmen og overflatespenningen til gass-væske-grensesnittet. Temperaturfeltet og strømningsfeltfordelingen er vist i figur 21. Samtidig ble krumningen av den frie overflaten til smeltebassenget og størrelsen på kledningslaget forutsagt. I tre forskjellige tverrsnittsretninger er den simulerte temperaturgradientretningen konsistent med kornvekstretningen. Eksperimentell verifisering av kledningslagets bredde, høyde og smeltebassengdybde viser at under prosessparametere, tatt i betraktning påvirkningen av forskjellige laserkrefter, laserskannehastigheter og pulvermatingshastigheter, er den maksimale feilen mellom simuleringsresultatene og de eksperimentelle resultatene 10 %.

Xu Jiachao et al. [45] etablerte en tredimensjonal matematisk modell av en hulringlaservarmekilde ved å kombinere ideen om et geometrisk revolusjonslegeme, og oppnådde sin matematiske analytiske formel som følger: se formel (10) i figuren.

Hvor: f1 er energikonverteringskoeffisienten, f1≤1; Q er varmeinngangseffekten, W; μ er energitoppposisjonen, som vanligvis er plassert i midten av ringområdet, det vil si μ=(R+r)/2; a er 1/2 av ringbredden, det vil si (Rr)/2; R og r er den ytre diameteren og den indre diameteren til ringflekken, mm; c er dybden til lyskilden, mm. De relevante parameterne til varmekildemodellen ble bestemt eksperimentelt, og modellen ble lastet basert på COMSOL-programvaren for å simulere den forbigående temperaturfeltfordelingen og termiske sykluskurven til ringlaserbekledningen. Temperaturtopp og toppdal avtar og øker henholdsvis på grunn av varmeakkumulering og varmeledning. Når laghøyden øker, blir temperaturstigningsområdet til det avsatte laget flatt.

Oppsummert er de gjeldende miljøene til flere mye brukte laservarmekildemodeller oppsummert i tabell 1. I temperaturfeltsimuleringen er temperaturfeltfordelingstrendene oppnådd av forskjellige modeller like, alle i form av elliptiske kometer, og hovedforskjellen er de forskjellige høytemperaturområdene; i strømningsfeltsimuleringen er den totale fordelingen av strømningsfeltet for smeltet basseng oppnådd av forskjellige varmekildemodeller lik, og høyhastighetsområdet er også konsentrert i midten av smeltebassenget. Hovedforskjellen er at bassengstørrelsen er forskjellig, og varmekildemodellen med mer spredt energifordeling oppnår mindre smeltedybde og -bredde. Fordi prosessparametrene er komplekse i selve kledningsprosessen, er tabell 1 kun for referanse, og varmekildemodellen bør velges rimelig i henhold til de faktiske eksperimentelle forholdene.

3 Forskningsfremgang av fri væskeoverflate i numerisk simulering av laserkledning

I laserkledningsprosessen er den frie væskeoverflaten til det smeltede bassenget i direkte kontakt med luften, som hovedsakelig påvirkes av overflatespenningen og direkte bestemmer størrelsesprofilen til kledningslaget. For tiden inkluderer de vanlige metodene for å studere den frie overflaten til det smeltede bassenget Level Set-metoden basert på faste rutenett, Volume of Fluid-metoden, Coupled Level Set-metoden og Volume of Fluid-metoden, Phase Field-metoden og Vilkårlig lagrangisk-eulerisk metode basert på bevegelige rutenett.

3.1 Nivåsettmetode

Level Set (LS)-metoden, også kjent som isosurface-funksjonsmetoden[49], bruker en avstandsfeltfunksjon for å beskrive det dynamiske grensesnittet. Level Set-metoden ble opprinnelig foreslått for å studere grensesnittet til flerfaseflyt, og brukes nå også innen bildegjenkjenning, grensesnittrekonstruksjon og andre felt. Liu et al. [50] brukte Level Set-metoden for å spore den frie overflaten til det smeltede metallet ved selektiv lasersmelting og fant ut at den ustabile forstyrrelsen forårsaket av endringen i overflatespenningen forårsaket lokale fordypninger på overflaten av det smeltede bassenget, og dermed påvirket overflateruheten til kledningen. lag etter dannelse. Imidlertid er den numeriske spredningen av LS-metoden relativt alvorlig under beregning, som er utsatt for masse-ikke-konserveringsproblemer.

3.2 Volum av væske metode

Volume of Fluid (VOF)-metoden beskriver det frie grensesnittet ved å definere en volumfraksjonsfunksjon, og rekonstruerer grensesnittet ved å løse volumfraksjonen i et enkelt rutenett. VOF-metoden har bedre massekonservering enn LS-metoden. Ye Chen [51] simulerte og forutså størrelsesprofilen til kledningslaget av laserkledning basert på VOF-metoden, og verifiserte simuleringsresultatene ved ortogonale eksperimenter. Sammenligningsresultatene for de tre gruppene med data, nemlig smeltehøyde, smeltedybde og fortynningshastighet, viste et avvik innenfor 10 %, noe som beviste nøyaktigheten til den numeriske modellen. Nøyaktigheten til det frie grensesnittet konstruert av VOF-metoden er imidlertid ikke høy nok, og flyten i normal retning av grensesnittet kan ikke spores nøyaktig [52]. Wen Baoxian et al. [53] etablerte en kroppsvarmekildemodell for laserenergifordeling i pulverbedet basert på forplantningsloven til lysstrålen i pulvermediet basert på den flytende programvaren, og modifiserte den klassiske VOF-metoden, og foreslo en VOF-metode som kan brukes til å simulere kollapsfenomenet etter pulversmelting. Beregningsresultatene viser at endringen i pulverlagets volum vil påvirke temperaturfeltet og hastighetsfeltet til smeltebassenget og dets omgivelser, samt den endelige morfologien til arbeidsstykket.

3.3 Koblet nivåinnstillingsmetode og væskevolummetode

Metoden Coupled Level-set med VOF (CLSVOF) kombinerer fordelene med LS-metoden og VOF-metoden, og har god grensesnittrekonstruksjonsnøyaktighet og massebevaring. Wei et al. [54] kombinerte LS-metoden og VOF-metoden for å foreslå en koplet flerfasestrømningsmodell for å studere varme- og masseoverføringen under laser-hot wire-avsetning og flyten av den frie overflaten. Modellen kan fange opp de subtile svingningene i gass/væske-grensesnittet så lite som ca. 0.03 mm. Wang Xiangyu et al. [55] brukte CLSVOF-metoden for å forutsi endringen av den frie væskeoverflaten til det smeltede bassenget, analyserte masseoverføringen inne i det smeltede bassenget, og foreslo en flerfasestrømningsmodell for å simulere mikrostrømmen av laserkledning av heterogene materialer. Avvikene mellom eksperimentet og simuleringen var innenfor 9 %. I tillegg, innen selektiv lasersmelting, har Thorsten Heeling et al. [56] etablerte en numerisk simuleringsmodell av det smeltede bassenget basert på CLSVOF-metoden. Ved analyse av smeltebassengstørrelsen oppnådd ved simulering og eksperiment, ble det funnet at avviket i smeltebassengdybden økte med økningen av skanningshastigheten, mens avviket i tverrsnittsstørrelsen avtok med økningen i skanningshastigheten.

3.4 Fasefeltmetode

Fasefeltmetoden (PF) er basert på Ginzburg-Landau-teorien og løser de forbigående endringene i grensesnittet gjennom differensialligninger [57]. I motsetning til VOF-metoden, krever den ikke rekonstruksjon av grensesnittet. Sammenlignet med LS-metoden krever den ikke kjedelig initialisering av avstandsfunksjonen. Beregningsmengden er relativt liten, og den har unike fordeler ved å håndtere problemer med fri væskeoverflate med mindre skalaer eller høy overflatespenningsfølsomhet. Jin et al. [58] etablerte en todimensjonal numerisk simuleringsmodell av laserpulverbedsmelting basert på fasefeltmetoden og fant at Marangoni-effekten vil føre til at det dannes bobler i det smeltede bassenget. Omsmeltingsprosessen og øke laserkraften kan bidra til å eliminere porene, som vist i figur 22.

3.5 Vilkårlige lagrangiske og Euler-metoder

Den vilkårlige Lagrangian-Eulerian (ALE)-metoden sporer det dynamiske grensesnittet gjennom grensesnittbevegelsesfunksjonen. Den kombinerer fordelene med de to beskrivelsesmetodene, Lagrangian og Eulerian, og har åpenbare fordeler når det gjelder å håndtere høypresisjonsfri væskeoverflate og væske-faststoff-koblingsproblemer. Basert på ALE-metoden har Tian et al. [59] brukte COMSOL-programvare for å etablere en endelig elementmodell for varmeoverføring og væskestrøm som inneholder flere fysiske parametere, og utforsket påvirkningen av forskjellige prosessparametere på fortynningshastigheten og geometrien til det smeltede bassenget. Resultatene viser at innenfor et visst område er fortynningshastigheten lineært relatert til det relative energi-til-masseforholdet. I tillegg, med økningen av det relative energi-til-masse-forholdet, ledsaget av strømmen av væsken i det smeltede bassenget, endres det bueformede faststoff-væske-grensesnittet i bunnen av det smeltede bassenget gradvis fra grunt til dypt, som vist i figur 23. Gan et al. [60] etablerte en flerfase-varme- og masseoverføringsmodell for direkte laseravsetning, og brukte ALE-metoden basert på dynamisk mesh-teknologi for å spore de dynamiske endringene av overflaten av smeltet basseng, og beregnet størrelsesprofilen for smeltet basseng og sammensetningsfordelingen, noe som indikerer at konveksjon er hovedmekanismen for masseoverføring av legeringselementer i det smeltede bassenget.
Oppsummert er fordelene og ulempene ved de ovennevnte metodene for sporing av fri væskeoverflate oppsummert i tabell 2.

4 Verifikasjon av laserkledning simuleringsmodell for smeltet basseng

I studiet av numerisk simulering av laserkledning er det nødvendig å etablere en rimelig numerisk analysemodell og verifisere modellen. Den nåværende modellverifiseringen er hovedsakelig gjennom anskaffelse av smeltet bassengtemperatur, bilde og andre signaler, ved bruk av datateknologi for signalbehandling, og til slutt sammenligning og verifisering med temperaturfelt- og strømningsfeltsimuleringsdata.

4.1 Temperaturfeltverifisering

Temperaturdeteksjon av smeltet basseng med laserkledning er delt inn i kontaktdeteksjon og berøringsfri deteksjon [62]. Ofte brukt kontakttemperaturdeteksjon er hovedsakelig gjennom termoelementtemperaturmåling, og temperaturfølerelementet er i direkte kontakt med målet som skal måles. Fordelen er enkel betjening og høy deteksjonsnøyaktighet. Li Yanmin et al. [63] brukte termoelementer for å måle temperaturen på underlaget, og kombinert med numerisk simulering for å analysere temperaturfordelingen inne i det smeltede bassenget, og oppnådde omtrentlig temperaturendringen til det smeltede bassenget. Siden temperaturen i midten av det smeltede bassenget med laserkledning er for høy, kan ikke temperaturfølerelementet måle temperaturen i midten av det smeltede bassenget, og det langsiktige arbeidsmiljøet med høy temperatur vil redusere levetiden til bassenget. deteksjonsutstyr. Derfor vedtar den nåværende mainstream-temperaturdeteksjonen for smeltet basseng ikke-kontakt temperaturmåling. Den berøringsfrie temperaturmålingen av det smeltede bassenget med laserkledning inkluderer hovedsakelig monokrom temperaturmåling, kolorimetrisk temperaturmåling og bildesignalinnsamling og temperaturmåling gjennom CCD [64]. Peng Cheng et al. [65] brukte ANSYS-programvare for å simulere temperaturfeltfordelingen under kledningsformingsprosessen til tynnvegg av titanlegering, og designet en hulringlaserbekledning for smeltet bassengtemperatur online deteksjonssystem ved bruk av et tofarget termometer, målte den faktiske temperaturen og verifiserte simuleringsresultatene. Resultatene viser at etter hvert som avsetningslaget akkumuleres oppover, blir varmeakkumuleringsfenomenet mer alvorlig. Forien et al. [66] designet et in-situ deteksjonssystem for det smeltede bassenget i laserpulverbedsmelteprosessen ved bruk av høytemperatur diodetemperaturmåling og høyhastighets bildeteknologi. De fant at endringen i pyrometersignalet var relatert til poredannelsesområdet, og sannsynligheten for poredannelse økte kraftig i høytemperatursignalovergangsområdet (5%~95%).

4.2 Flytfeltverifisering

Strømningsfeltverifiseringen av det smeltede bassenget inkluderer hovedsakelig to typer: in-situ-deteksjon og ikke-in-situ-deteksjon. In-situ-deteksjon bruker hovedsakelig et CCD-kamera eller et CMOS-kamera for å oppnå overflatemorfologibildet av det smeltede bassenget i sanntid under laserkledningsprosessen. Etter bildebehandling sammenlignes det med simuleringsdataene for verifisering. Wirth et al. [67] designet et laserbekledning høyhastighets kamerabildeinnsamlingssystem på nett (som vist i figur 24) for å oppnå strømningsloven til den smeltede bassengoverflaten og partikkelbevegelseshastigheten. Analysen fant at den lokale strømningsretningen til smeltebassenget påvirkes av prosessparametrene og har en viss tilfeldighet. I de fleste numeriske simuleringer vil antakelsen om at væsken i det smeltede bassenget er laminær strømning ha en viss innvirkning på simuleringsresultatene. Huang Jiankang et al. [68] brukte partikkelsporingsmetode kombinert med speilbildesystem for smeltet basseng for å studere strømningsoppførselen til TIG-sveising av smeltet bassengoverflate. Ved å kalibrere kartleggingsforholdet mellom den faktiske smeltede bassengbredden og pikselbredden til videodataene, beregnet de at strømningshastigheten til den smeltede bassengoverflaten var omtrent 12 mm/s (304 rustfritt stål) og 15 mm/s (Q235 karbon) stål). Ikke-in-situ deteksjon oppdager hovedsakelig størrelsesprofilen og mekaniske egenskaper til de eksperimentelle prøvene, og sammenligner dem deretter med simuleringsdataene for verifisering. Wu Jiazhu [68] studerte varmestrømningsoverføringsmekanismen til laser-direkte metallavsetningsprosess, målte prøvens smeltedybde og avsetningslaghøyde oppnådd ved eksperimentet, og sammenlignet dem med profildataene for smeltet basseng oppnådd ved simulering, og bekreftet at modellen har høy prediksjonsnøyaktighet (≥95%).

5 Sammendrag og Outlook

Temperaturfeltet og strømningsfeltsimuleringen av laserkledning bidrar til å avsløre de metallurgiske dynamiske egenskapene til det smeltede bassenget, men det er fortsatt følgende problemer:

1) I studiet av simuleringen av strømningsfelt med smeltet basseng er grenseforholdene ikke perfekte. Generelt vurderes kun overflatespenningen, tyngdekraften og oppdriften til det smeltede bassenget for kreftene på væsken i det smeltede bassenget, og trykket til beskyttelsesgassen og virkningen av de usmeltede pulverpartiklene på overflaten av smeltet basseng anses som mindre. .

2) I prosessen med å studere endringene i temperaturfeltet og strømningsfeltet inne i smeltebassenget, vil noen forskere forhåndsinnstille formen på kledningslaget på forhånd eller anta at smeltebassenget befinner seg i planet ved etablering av finite element-modellen , mens man ignorerer den frie overflaten til væske/gass i smeltet basseng, noe som begrenser nøyaktigheten til disse modellene for analysen av bevegelsen av smeltet basseng og væske/gass-grensesnittet, samt studiet av strømningsmekanismen til det smeltede bassenget.

3) De fleste studier er basert på horisontale underlag, men delene som må repareres er ofte komplekse i form og på ikke-horisontale underlagsflater. Derfor trenger laserkledning på ikke-horisontale basisflater ytterligere forskning.

På bakgrunn av ovennevnte mangler foreslås følgende forbedringstiltak.

1) Forbedre grenseforholdene. Beskyttelsesgasstrykket måles eksperimentelt, kvantifiseres og legges til overflaten av det smeltede bassenget som en grensebetingelse.

2) Forbedre den numeriske modellen. Simuleringsforskningen av pulverstrømningsfeltet til laserbekledningsdysen er allerede veldig moden. Vi kan prøve å kombinere den diskrete fasemodellen for å samtidig legge til pulvermaterialer for å danne kledningslaget under simuleringsprosessen og etablere en passende flerfasestrømningsmodell for varme og masseoverføring.

3) Dannelsesmekanismen og utviklingsprosessen til kledningslaget bør analyseres i kombinasjon med den indre kraften til det smeltede bassenget, og en vitenskapelig forklaring av strømningsatferden og morfologiske endringer i det smeltede bassenget under variabel holdning vil være neste nøkkelforskning retning.