Forțele care acționează asupra bazinului topit de placare cu laser sunt descrise pe scurt, incluzând tensiunea superficială, forța de forfecare vâscoasă, gravitația și presiunea gazului de protecție, iar mecanismul de formare a stratului de placare este analizat pe scurt din perspectiva creșterii țesuturilor și a curgerii bazinului topit. În același timp, sunt rezumate legile de distribuție a energiei și ecuațiile diferitelor modele de surse de căldură utilizate în simularea placajului cu laser, inclusiv sursa de căldură Gaussiană de suprafață, sursa de căldură inelară de suprafață, sursa de căldură Gaussiană a corpului, sursa de căldură elipsoidală și sursa de căldură corporală combinată. Pe această bază, cercetările progresează în simularea numerică a câmpului de temperatură și a câmpului de curgere al placare cu laser piscina topită acasă și în străinătate în ultimii ani este clasificată și revizuită, iar avantajele și dezavantajele diferitelor modele de surse de căldură sunt analizate. Mediul aplicabil al diferitelor surse de căldură și legile de distribuție ale câmpului de temperatură și câmpului de debit obținut sunt rezumate. În plus, sunt rezumate metodele de cercetare a suprafeței lichide libere a bazinului topit și sunt rezumate metodele de verificare a modelelor numerice de simulare a câmpului de temperatură și a câmpului de curgere. Totodată, având în vedere problemele existente în cercetarea de simulare numerică a bazinului topit de placare cu laser, acestea sunt rezumate din aspectele modelelor numerice și condițiilor la limită, iar în final este prospectată direcția de dezvoltare viitoare.

Placarea cu laser este un proces nou pentru modificarea suprafeței și repararea materialelor. Acesta adaugă material de placare la suprafața substratului prin împrăștierea sau alimentarea cu pulbere și utilizează un fascicul laser de înaltă energie pentru a topi rapid materialul stratului de placare pentru a forma un strat de placare cu o bună legătură metalurgică pe suprafața substratului, modificând astfel compoziția substratului. suprafață și îmbunătățirea proprietăților de suprafață ale materialului [1]. În timpul procesului de placare cu laser, bazinul de topire nu este constant și va fi perturbat de fluxul Marangoni, injecția de pulbere, livrarea de pulbere, turbulența în gazul de protecție și parametrii variabili de procesare [2]. Un număr mare de studii au arătat că forța Marangoni determinată de tensiunea superficială are o influență importantă asupra curgerii bazinului topit [3-4], care este, de asemenea, un factor cheie în determinarea morfologiei și diluției stratului de placare. Comportarea curgerii în bazinul topit are un impact direct asupra evoluției structurii materialului. Dinamica fluidelor și evoluția geometrică a bazinului de lichid topit sunt direct legate de proprietățile mecanice ale materialului de fabricare aditivă. Deoarece bazinul topit se formează într-un timp extrem de scurt și dimensiunea bazinului topit este mică, este aproape imposibil să se monitorizeze cu precizie evoluția instantanee a bazinului topit în timp real în timpul experimentului. Prin urmare, odată cu dezvoltarea tehnologiei computerizate, simularea numerică a comportamentului dinamic al curgerii în interiorul bazinului topit prin simularea cu elemente finite a devenit curentul principal. În simularea numerică a bazinului topit placarea cu laser, un model rezonabil de sursă de căldură este cheia pentru obținerea unor rezultate precise de simulare numerică. In general, modelul corespunzator al sursei de caldura este stabilit in functie de sursa de caldura laser ceruta de conditiile reale de lucru. Lungimea de stingere a materialului depinde în principal de coeficientul de absorbție al materialului la o anumită lungime de undă a laserului. În funcție de lungimea de stingere a materialului la laser, modelul sursei de căldură în procesul de placare cu laser poate fi împărțit în sursă de căldură de suprafață și sursă de căldură corporală. Dacă laserul acționează pe suprafața materialului, energia laserului scade la 0 după o distanță scurtă de transmisie. Se poate presupune că energia este complet absorbită pe suprafața materialului, iar absorbția energiei laser de către materialul matricei poate fi numită absorbție de suprafață; dacă adâncimea de transmisie este adâncă, depășind chiar și grosimea materialului, se poate numi absorbție corporală [5].

Această lucrare descrie mai întâi pe scurt mecanismul de formare a bazinului topit al placajului cu laser, apoi clasifică și revizuiește progresul cercetării simulării numerice a bazinului topit al placajului cu laser în cadrul mai multor modele de surse de căldură utilizate pe scară largă, rezumă starea cercetării câmpului de temperatură a bazinului topit și câmpul de curgere numeric. simulare sub diferite surse de căldură și, în cele din urmă, așteaptă cu nerăbdare problema de simulare a bazinului topit a placajului cu laser.

1 Mecanismul de formare a bazinului topit placaj cu laser

În timpul procesului de placare cu laser, densitatea de energie a intrării laserului este mare. Conducția și convecția căldurii controlează evoluția fizică a bazinului topit și determină direct câmpul de temperatură și distribuția câmpului de curgere în bazinul topit. Bazinul topit al placajului laser poate ajunge la echilibru într-un timp foarte scurt, în care există un gradient de temperatură mare și o convecție ciclică rapidă. Fascicul laser focalizat este iradiat pe substratul metalic, temperatura substratului crește și se topește pentru a forma un bazin topit. Duza pulverizează pulberea metalică în bazinul topit în mod sincron. Metalul lichid din bazinul topit convecţionează sub acţiunea tensiunii Marangoni. Temperatura din interiorul bazinului topit devine treptat uniformă. Topitura curge la marginea bazinului topit, ajunge la suprafața bazinului topit și se solidifică pentru a forma un strat de placare. Song și colab. [6] a analizat formarea bazinului de topire, modelul de convecție intern și comportamentul de solidificare a stratului de placare.

Forțele din bazinul topit sunt complexe. Principala forță motrice pentru curgerea fluidului în bazinul topit este fluxul Marangoni generat de echilibrul dintre flotabilitate și gradientul tensiunii superficiale și forța de forfecare vâscoasă [7]. Shi Jianjun [8] a analizat forța tridimensională a bazinului topit. Analiza forței bazinului topit este prezentată în Figura 1, care include în principal tensiunea superficială Fγ, forța de forfecare vâscoasă Fμ, gravitația G și presiunea gazului de protecție Fp, iar θ este unghiul de deviere al substratului. Sub acțiunea combinată a tensiunii superficiale, gravitației, forței de forfecare vâscoase și a presiunii gazului de protecție, metalul topit formează un bazin de metal topit echilibrat dinamic. Dintre acestea, tensiunea superficială are cel mai mare impact asupra bazinului topit, iar fluxul de fluid în bazinul topit este determinat în principal de convecția Marangoni determinată de tensiunea superficială.

2 Progresul cercetării modelului sursei de căldură pentru simularea numerică a placajului cu laser

2.1 Sursă de căldură Gaussiană de suprafață

În prezent, cele mai multe simulări numerice ale placajului cu laser utilizează modelul Gaussian al sursei de căldură, așa cum se arată în Figura 2. Energia laserului este distribuită în mod normal în spațiu, cu mai mult în centru și mai puțin la margine, ceea ce este în concordanță cu procesul real de procesare. Cu toate acestea, distribuția energiei în direcția de adâncime a bazinului topit este ignorată, deci nu este potrivită pentru condițiile de lucru cu un bazin topit mai adânc.

Expresia ecuației densității fluxului de căldură este: Vezi formulele (1) și (2) din figură. Unde: q(r) este fluxul de căldură la suprafață la raza r, W/m2; R este distanța de la centrul spotului, m; c este coeficientul de concentrare a fluxului de căldură, m2; qm este fluxul maxim de căldură în centrul sursei de căldură, W/m2; P este puterea laserului, W; η este rata de utilizare a laserului.

Sursa de căldură Gaussiană de suprafață este potrivită pentru condiții de procesare cu lățime și adâncime mică a bazinului topit și grosimea stratului de placare. Pentru simularea numerică a câmpului de temperatură a bazinului topit, Wang Zhijian și colab. [10] a folosit sursa de căldură Gaussiană de suprafață pentru a simula numeric procesul de solidificare a bazinului topit cu laser cu un singur strat de aliaj de titan TC4. Studiul a constatat că în placarea laser cu o singură trecere, datorită transferului rapid de căldură la coadă, căldura de la capătul frontal al bazinului topit este mai concentrată decât cea de la capătul din spate, iar adâncimea de topire este mai mare. Odată cu creșterea puterii laserului, adâncimea de topire a bazinului topit și intervalul zonei afectate de căldură cresc treptat datorită creșterii aportului de energie. Pant și colab. [11] a stabilit un model de amestecare a bazinului topit bazat pe metoda elementelor finite și a studiat comportamentul transferului de căldură al bazinului topit în timpul topirii prin depunere cu laser. Rezultatele arată că bazinul topit este eliptic în față și în formă de cometă, cu o coadă întinsă. Lățimea bazinului topit crește odată cu creșterea puterii laserului (după cum se arată în Figura 3). Viteza de răcire crește odată cu creșterea vitezei de scanare, iar creșterea puterii laserului va crește gradientul de temperatură în piscina topită, iar viteza de răcire va crește în consecință.

În plus, unii cercetători au studiat simularea morfologiei tridimensionale a bazinului topit sub sursa de căldură de suprafață Gaussiană. Fallah și colab. [12] a propus o simulare tranzitorie a modelului cu elemente finite pentru a prezice evoluția dimensiunii și morfologiei bazinului topit în timpul depunerii pulberii cu laser. Rezultatele au arătat că profilul estimat al bazinului topit simulat a fost aproape de experiment,
dar nu s-a făcut o analiză specifică asupra câmpului de temperatură și câmpului de curgere al bazinului topit. Gao şi colab. [13] a stabilit un model de predicție numerică tridimensională pentru procesarea cu o singură trecere în timpul placajului cu laser. Folosind sursa de căldură de distribuție Gaussiană și pe baza metodei unității de naștere și moarte, forma geometrică a stratului de placare nu trebuie să fie presetată. Câmpul de temperatură tranzitoriu și structura geometrică a stratului de placare sunt calculate simultan. Forma de placare obținută este în acord cu rezultatele experimentale, așa cum se arată în Figura 4. În plus, au analizat și influența parametrilor de proces asupra câmpului de temperatură și a formei geometrice a stratului de placare.

Unii cercetători vor preseta în prealabil forma tridimensională a stratului de placare atunci când utilizează sursa de căldură de suprafață Gaussiană pentru a simula câmpul de curgere a bazinului topit. Liu Han și colab. [14] a stabilit un model tridimensional bazat pe conturul real al mărimii stratului de depunere în studiul de simulare numerică a câmpului de temperatură și a câmpului de stres în procesul de formare tridimensional de depunere cu laser. Pe această bază, a fost stabilit un model cu elemente finite al bazinului topit cu depunere sincronă cu laser de mătase-pulbere și a fost obținută legea de distribuție a câmpului de curgere a bazinului topit. Pe secțiunea transversală a bazinului topit se formează două circulații distribuite simetric și se generează două circulații radiale, una puternică în față și una slabă în spate. Distribuția fluidului pe suprafața superioară a bazinului topit arată o lege de difuzie de la centru spre margine. Li şi colab. [15] a stabilit un model de cuplare multi-câmp al procesului de placare cu laser a discurilor bazat pe software-ul COMSOL și a calculat proprietățile fizice termice ale materialului folosind metoda CALPHAD. Folosind o sursă de căldură de suprafață Gaussiană, interacțiunea dintre fasciculul laser și pulbere și condițiile de stres din interiorul bazinului topit au fost luate în considerare în mod cuprinzător și a fost obținută legea de schimbare a câmpului de temperatură și a câmpului de curgere în timpul procesului de placare cu laser a discului. Bazinul topit este elipsoidal, iar cea mai ridicată temperatură are loc în partea din spate a centrului bazinului topit. În faza incipientă de placare, debitul bazinului topit este scăzut, iar conducerea căldurii joacă un rol major în transferul de energie al bazinului topit; pe măsură ce procesul de placare continuă, debitul metalului topit în bazinul topit se accelerează, iar convecția căldurii joacă un rol major în acest moment, așa cum se arată în figurile 5 și 6.

2.2 Sursă de căldură inelară de suprafață

Sursa de căldură inelară de suprafață este un model de sursă de căldură unic pentru simularea numerică a placajului cu laser inelar gol. Se bazează pe noul proces de placare cu laser inelar gol de „alimentare cu fascicul gol și pulbere în fascicul”, care are avantaje unice față de placarea tradițională „laser solid”. Principiul său de bază este de a transforma fasciculul solid într-un fascicul inelar gol prin sistemul de conversie a fasciculului [16-17], astfel încât aria de concentrare a distribuției de energie să se schimbe de la centru la marginea exterioară (după cum se arată în Figura 7), ceea ce poate elimină fenomenul de topire incompletă la marginea canalului topit cauzat de placarea cu laser solid gaussian și îmbunătățește dezavantajul unei legături metalurgice slabe [18].

Distribuția energiei în zona sa inelară este, de asemenea, ca o distribuție gaussiană, iar funcția de distribuție a energiei este: Vezi formula (3) din figură. Unde: R0 este diametrul exterior al laserului la poziția focală, mm; z este defocalizarea, mm; φ este unghiul dintre fasciculul laser gol și direcția orizontală; ξ este coeficientul de poziție a vârfului de energie.

Tian Meiling și colab. [18] a folosit software-ul ANSYS de analiză cu elemente finite pentru a simula câmpul de temperatură al bazinului topit inelar cu laser gol și a efectuat o analiză teoretică a distribuției tridimensionale a câmpului de curgere. Câmpul de curgere al bazinului de topire cu placare laser goală a arătat o distribuție simetrică a fluxului în patru inele, așa cum se arată în Figura 8. Shi Gaolian [20] a folosit software-ul cu elemente finite ANSYS și pe baza modelului sursei de căldură inelare goale la suprafață pentru a simula temperatura tranzitorie. câmp al bazinului topit de 45 de probe de oțel placare aliaj Fe313 și a obținut legea de evoluție a câmpului de temperatură a bazinului de placare cu laser goale. Datorită efectului de acumulare de căldură în timpul procesului de placare, temperatura în bazinul topit crește treptat odată cu creșterea timpului de scanare și a înălțimii. Forma, poziția și distribuția densității energetice a bazinului topit și calitatea piesei formate se vor schimba semnificativ odată cu schimbarea ciclului de funcționare. Li Guangqi și colab. [21] a simulat încărcarea laserului cu inel gol pe baza software-ului ANSYS folosind limbajul APDL combinat cu metoda unității de naștere-moarte și a obținut legea de distribuție a câmpului de temperatură al stratului de placare. Distribuția generală a câmpului de temperatură în timpul procesului de placare a fost „în formă de cometă”. În etapa inițială a scanării, spotul a arătat o formă de inel complet cu aceeași distribuție teoretică a energiei. Pe măsură ce procesul de scanare a progresat, zona de temperatură ridicată s-a deplasat înapoi în ansamblu, evoluând treptat de la o formă de inel la o formă de șa, așa cum se arată în Figura 9. Acest lucru confirmă caracteristicile energiei laser cu inel gol de „scăzut în mijloc”. și sus la margine”. În plus, stratul de suprafață al câmpului de temperatură al stratului de placare a prezentat o „formă de vale adâncă”, cu înaltă pe ambele părți și scăzută la mijloc, iar în direcția adâncimii stratului de placare, temperatura a scăzut treptat odată cu creșterea adâncimii , așa cum se arată în Figura 10.

2.3 Sursa gaussiană de căldură a corpului

În procesul real de placare cu laser, fasciculul laser se mișcă cu o anumită viteză, iar distribuția energiei nu este uniformă, în special distribuția energiei sursei de lumină perpendiculară pe direcția de scanare este destul de diferită, iar modelul sursei de căldură de suprafață nu poate pătrunde în bazinul topit. Prin urmare, sursa de căldură a corpului a luat ființă. Energia laser a sursei de căldură corporală nu este doar depusă pe suprafața stratului de pulbere, dar poate pătrunde și în interiorul stratului de placare, ceea ce îmbunătățește precizia de calcul a câmpului de temperatură tranzitoriu sau a câmpului de curgere al bazinului topit. 22]. Unii cercetători au stabilit o sursă de căldură Gauss rotativă bazată pe modelul Gauss al sursei de căldură de suprafață, așa cum se arată în Figura 11. Corpul de suprafață Gauss rotativ este format prin rotirea curbei Gauss în jurul axei sale de simetrie. Presupunând că energia sursei de căldură este toată distribuită în interiorul acestui corp de suprafață, densitatea fluxului de căldură în secțiunea transversală este distribuția Gauss.

Funcția de distribuție a energiei este: vezi formulele (4) și (5) din figură. Unde: e este baza naturală; R0 este raza deschiderii sursei de căldură; H este înălțimea sursei de căldură; Q este puterea sursei de căldură.

Sursa de căldură Gaussiană este cel mai utilizat model de sursă de căldură pentru simularea numerică a bazinului topit al placajului cu laser. Zhang Kerong și colab. [24] a simulat numeric procesul tranzitoriu de sudare cu laser prin topire adâncă a găurii cheii din aliaj de titan TC4 pe baza modelului rotativ al sursei de căldură cu volum Gaussian și a analizat în continuare influența diferiților parametri de proces asupra morfologiei găurii cheii în combinație cu experimente. Studiul a arătat că odată cu creșterea densității energiei laser, creșterea puterii laserului sau scăderea diametrului spotului, adâncimea găurii cheii a crescut și dimensiunea a devenit mai mare. Diametrul spotului este parametrul procesului cu cea mai mare influență asupra morfologiei găurii cheii. Sun și colab. [25] a simulat particulele de pulbere ale depunerii de energie direcțională laser pe baza unui software fluent folosind un model de fază discretă și a analizat morfologia stratului de depunere de pulbere și distribuția câmpurilor de temperatură și viteză în combinație cu modelul sursei de căldură Gaussian. Rezultatele arată că în depunerea directă a energiei laser de mare viteză, viteza de curgere descendentă în zona de acțiune a pulberii este dominantă datorită presiunii cauzate de alimentarea cu pulbere, așa cum se arată în Figura 12.

În simularea numerică a morfologiei bazinului topit bazată pe sursa de căldură Gaussiană. Chai și colab. [26] a stabilit un model numeric de placare cu laser pe un substrat înclinat bazat pe metoda automatului celular și a simulat influența diferitelor unghiuri de înclinare asupra ariei secțiunii transversale relative, lățimii, înălțimii și decalajului de vârf a stratului de placare, așa cum se arată în Figura 13. Rezultatele arată că aria secțiunii transversale relativă mai întâi crește, apoi scade și apoi tinde să fie stabilă odată cu creșterea unghiului de înclinare a substratului; lățimea stratului de placare crește odată cu creșterea unghiului de înclinare, iar înălțimea crește mai întâi și apoi scade; odată cu creșterea unghiului de înclinare a substratului, componenta gravitațională a stratului de placare devine din ce în ce mai mare, iar compensarea vârfurilor crește treptat.

2.4 Sursă de căldură elipsoidală

Distribuția energiei în bazinul topit din placarea laser nu este adesea un corp de rotație gaussian tridimensional. Pentru a simula mai precis dimensiunea și forma bazinului topit, este propusă o sursă de căldură a corpului de distribuție elipsoidală. Există două tipuri de surse de căldură elipsoidală: o singură sursă de căldură elipsoidală cu simetrie față-spate și o sursă de căldură elipsoidală dublă cu distribuție diferită a energiei față în spate. În primele zile, unii cercetători au propus o sursă de căldură emisferică [27], iar funcția sa de distribuție a energiei este: vezi formula (6) din figură. Unde: q(x,y,z) este densitatea fluxului de căldură a punctului (x,y,z) de pe sistemul de coordonate; c este raza sferei; Q este rata de aport de căldură.

Conform unui număr mare de observații experimentale, sursa de căldură reală nu este distribuită simetric în față și în spate. Prin urmare, cercetătorii au propus o sursă de căldură dublă elipsoidă (așa cum se arată în Figura 14), părțile din față și din spate fiind, respectiv, doi elipsoizi de 1/4.

Funcțiile sale de distribuție a energiei din față și din spate sunt: ​​A se vedea formula (7) din figură. Unde: qf și qr sunt distribuția fluxului de căldură în semielipsoizii din față și respectiv din spate; af și ar sunt semiaxele semielipsoidelor din față și respectiv din spate; bh și ch sunt celelalte două semiaxe ale semielipsoizilor din față și respectiv din spate, iar cele două semiaxe scurte ale celor doi elipsoizi sunt egale; ff și fr sunt cotele aportului de căldură în semielipsoizii din față și respectiv din spate și ff + fr = 1.

Datorită dimensiunii mari a bazinului topit generat de sursa de căldură elipsoidală, este utilizat pe scară largă în simularea numerică a proceselor de prelucrare cu laser, cum ar fi sudarea cu laser [29-30] și placarea laser prestabilită. Hocine şi colab. [31] au analizat diferențele dintre trei modele de surse de căldură (sursă de căldură elipsoidă, sursă de căldură dublă elipsoidă și sursă de căldură cilindrică) în simularea evoluției câmpului de temperatură și a conturului bazinului de topire în topirea selectivă cu laser. Rezultatele au arătat că cele trei modele de surse de căldură au propriile lor avantaje unice în calcularea câmpului de temperatură și a conturului bazinului topit. Sursa de căldură cilindrică este potrivită pentru calcularea câmpului de temperatură al bazinului topit, în timp ce sursa de căldură elipsoidală are o precizie mai mare în calcularea conturului bazinului topit. Luo Xinlei și colab. [32] a folosit ANSYS APDL pentru a simula câmpul de temperatură al topirii cu laser selectiv cu un singur canal și a comparat rezultatele simulării sub sursa de căldură de suprafață Gaussiană și sursa de căldură dublu elipsoid. Rezultatele arată că sursa de căldură dublă elipsoidală are o mai bună concordanță cu rezultatele experimentale decât sursa de căldură de suprafață gaussiană, deoarece distribuția sa de energie este mai aproape de sursa de căldură laser reală. În procesul de topire selectivă a laserului, fără a modifica densitatea energiei de intrare laser, creșterea puterii laserului și a vitezei de scanare va crește semnificativ adâncimea și lățimea bazinului topit, așa cum se arată în Figura 15.

Unii cercetători au efectuat, de asemenea, cercetări aprofundate asupra modificărilor câmpului de temperatură ale bazinului de topire sub diferiți parametri de proces. Hao Xiaojie [33] a folosit software-ul ABAQUS pentru a analiza variația câmpului de temperatură în timpul topirii selective cu laser. El a folosit o sursă de căldură dublă elipsoidă, care a distribuit energia laserului intr-un anumit volum și a aplicat-o nodurilor modelului material sub formă de densitate a fluxului de căldură. El a studiat influența diferiților parametri de proces asupra câmpului de temperatură în timpul topirii cu laser. Când doar puterea laserului crește, viteza medie de încălzire și viteza de răcire în bazinul topit și dimensiunea bazinului topit cresc în consecință; când crește doar viteza de scanare, viteza medie de încălzire și viteza de răcire în bazinul topit cresc în mod constant, în timp ce dimensiunea bazinului topit scade relativ; distanța de scanare afectează efectul de retopire dintre canalele de topire, în timp ce grosimea pulberii afectează efectul de lipire între straturile de scanare.

2.5 Sursă de căldură combinată

Sursa de căldură cu distribuție unică în volum simplifică legea de distribuție a sursei de căldură în direcția adâncimii bazinului topit și nu distinge diferența de distribuție a energiei laser pe suprafața și în interiorul bazinului topit [34]. Prin urmare, sunt derivate surse de căldură combinate, cum ar fi sursa de căldură corporală segmentată, sursa de căldură combinată cu dublu con elipsoid și sursa de căldură combinată care combină sursa de căldură de suprafață Gaussiană și sursa de căldură corporală. Sursa de căldură combinată combină avantajele sursei de căldură de suprafață și a sursei de căldură corporală, este mai potrivită cu condițiile reale de lucru și are o precizie mai mare de simulare. În sursa de căldură combinată, sursa de căldură de suprafață este, în general, o sursă de căldură de suprafață de distribuție a fluxului de căldură gaussian, iar sursa de căldură a corpului este în general o sursă de căldură cilindră gaussiană atenuată liniar sau o sursă de căldură a corpului rotativă cu flux de căldură în scădere [35].

Cai Haipeng et al. [36] a îmbunătățit sursa de căldură de sudură pe baza sursei de căldură Gauss în mișcare, a stabilit un model de sursă de căldură segmentată, a folosit grile grosiere și segmentarea adecvată a sursei de căldură pentru a calcula problema deformarii la sudare și a combinat tehnologia rețelei rafinate locale pentru a simula evoluția stresului. Wang Qibing și colab. [37] a folosit o sursă de căldură combinată care combină partea superioară a sursei de căldură dublu elipsoid și partea inferioară a sursei de căldură a corpului rotativ Gaussian pentru a simula câmpul de căldură și debitul bazinului topit în timpul sudării hibride laser-MIG a oțelului Invar. Rezultatele au arătat că distribuția câmpului temperaturii piscinei topite simulată de sursa de căldură combinată a fost practic în concordanță cu rezultatele experimentale reale. Xie Yinkai și colab. [38] a stabilit o sursă de căldură combinată dintr-o sursă de căldură cu corp rotativ parabolic (jumătatea inferioară) și o sursă de căldură cilindrică (jumătatea superioară) (așa cum se arată în Figura 16) pentru a simula perturbările specifice ale mărimii bazinului topit, fluxului de topire și gazului. -interfață fără lichid în timpul topirii selective cu laser. În placarea cu o singură trecere, viteza de scanare și grosimea stratului de pulbere domină factorii de formare a porilor. Pentru placarea cu mai multe treceri, factorii care afectează formarea porilor sunt în principal distanța de scanare, iar numărul de pori crește odată cu creșterea distanței de scanare.

Wang Yiwen și colab. [39] a stabilit un model numeric simetric tridimensional pentru mișcarea tranzitorie și transferul de căldură și masă al bazinului topit pe baza software-ului Fluent. Folosind o sursă de căldură gaussiană tridimensională, s-a analizat procesul de evoluție și comportamentul curgerii piscinei topit lichid/gaz sub diferiți parametri de proces și a fost stabilită relația dintre debit, temperatură și dimensiunea bazinului topit și calitatea suprafeței, după cum se arată. în figurile 17 și, respectiv, 18. Rezultatele arată că morfologia stratului de placare cu o singură trecere obținută prin experiment și prin simulare este similară. După ce se formează un bazin topit stabil, fluidul din bazinul topit curge din zona cu temperatură înaltă în zona cu temperatură joasă într-o formă radială, iar debitul crește treptat de la mijloc spre exterior. Camera monitorizează fluxul de zgură în timp real, iar direcția de curgere a câmpului de curgere simulat este consecventă.

2.6 Alte modele de surse de căldură

Odată cu dezvoltarea în continuare a tehnologiei informatice, unii cercetători au optimizat în continuare modelul de sursă de căldură existentă în funcție de condițiile reale de lucru și au stabilit un nou model de sursă de căldură. În plus, simulările numerice în anumite condiții speciale de procesare pot fi realizate și prin modele de surse de căldură specifice, cum ar fi modelul sursei de căldură cu fascicul laser în bandă largă, modelul sursei de căldură cu inel gol etc.

Lei Dingzhong și colab. [40] a folosit software-ul TracePro pentru a simula și analiza traseul luminii și distribuția fluxului de lumină spot focalizat W format de duza de placare cu laser în bandă largă cu alimentare cu pulbere în lumină și a stabilit un model matematic tridimensional al benzii late a inelului gol. laser pe suprafața oglinzii. Tseng și colab. [41] a propus un model de sursă de căldură laser bazat pe software-ul SYSWELD, a analizat cuprinzător influența caracteristicilor fasciculului laser și a parametrilor de proces asupra câmpului de temperatură și a formei stratului de placare și a proiectat un model numeric pentru verificarea experimentală a placajului cu laser, care poate să fie aplicate la simularea numerică a altor procese de prelucrare cu laser. Liu și colab. [42] a stabilit un model de sursă de căldură cu fascicul laser în bandă largă, iar funcția sa de distribuție a energiei este: a se vedea formula (8) din figură.
Unde: I0=αβP/(wd). α este coeficientul de absorbție laser, α=0.75; β este randamentul energetic, β=0.98; P este puterea laserului; d este lățimea punctului laser de bandă largă, d=1.5 mm; w este lungimea punctului laser de bandă largă, w=15 mm. Liu și colab. [42] a studiat câmpul de temperatură și câmpul de efort al unui strat de placare cu o singură trecere în placarea laser cu fascicul larg, unde distribuția câmpului de temperatură este prezentată în Figura 19. Combinată cu datele de temperatură, lungimea, lățimea și adâncimea topitului piscine au fost calculate. În același timp, au fost discutate efectele parametrilor de proces, cum ar fi puterea laserului și viteza de scanare asupra mărimii bazinului de topire, gradientului de temperatură, vitezei de răcire și vitezei de solidificare. În plus, a fost studiată și distribuția câmpului de stres termic al stratului de placare în diferite direcții și pe diferite căi.

Feng Yiqi [43] a stabilit un model de mecanică a fluidelor de bazin topit cu topire selectivă cu laser. Pe baza caracteristicilor de atenuare a energiei ale laserului din interiorul patului de pulbere, în simulare a fost utilizată o sursă de căldură corporală cu atenuare a intensității laserului: vezi formula (9) din figură.
Rezultatele simulării modelului de împrăștiere a pulberii au fost importate în modelul de mecanică a fluidelor din bazinul topit pentru a prezice comportamentul curgerii bazinului topit și a fost făcută o analiză aprofundată a relației dintre comportamentul curgerii, găurile și efectul de sferoidizare al topitului. piscina in placare cu mai multe treceri. Rezultatele arată că suprafața inferioară a materialului aditiv are o distribuție mai densă a pulberii decât suprafața fundului plat. Datorită incertitudinii mari a curgerii bazinului de topire, fenomenul de sferoidizare are loc în principal pe suprafața inferioară a materialului aditiv, iar găurile netopite sunt produse în cea mai mare parte la gâtul canalului de topire între mai multe straturi de placare, așa cum se arată în Figura 20.

Song și colab. [44] a luat în considerare în mod cuprinzător efectul de atenuare al interacțiunii dintre jetul de pulbere și laser și efectul de radiator al particulelor de pulbere netopită care intră în piscina topită. Pe baza software-ului COMSOL, a fost stabilit un model de sursă de căldură pentru a simula fluxul de topire și tensiunea superficială a interfeței gaz-lichid. Câmpul de temperatură și distribuția câmpului de curgere sunt prezentate în Figura 21. În același timp, au fost prezise curbura suprafeței libere a bazinului topit și dimensiunea stratului de placare. În trei direcții de secțiune transversală diferite, direcția gradientului de temperatură simulat este în concordanță cu direcția de creștere a boabelor. Verificarea experimentală a lățimii stratului de placare, înălțimii și adâncimii bazinului topit arată că în parametrii procesului având în vedere influența diferitelor puteri laser, vitezele de scanare laser și ratele de alimentare cu pulbere, eroarea maximă între rezultatele simulării și rezultatele experimentale este de 10%.

Xu Jiachao și colab. [45] a stabilit un model matematic tridimensional al unei surse de căldură laser cu inel gol combinând ideea unui corp geometric de revoluție și a obținut formula sa analitică matematică după cum urmează: vezi formula (10) din figură.

Unde: f1 este coeficientul de conversie a energiei, f1≤1; Q este puterea de intrare a căldurii, W; μ este poziția vârfului de energie, care este de obicei situată în centrul zonei inelului, adică μ=(R+r)/2; a este 1/2 din lățimea inelului, adică (Rr)/2; R și r sunt diametrul exterior și diametrul interior al spotului inelului, mm; c este adâncimea sursei de lumină, mm. Parametrii relevanți ai modelului sursei de căldură au fost determinați experimental, iar modelul a fost încărcat pe baza software-ului COMSOL pentru a simula distribuția tranzitorie a câmpului de temperatură și curba ciclului termic al placajului laser inel. Vârful de temperatură și valea de vârf scad și, respectiv, cresc din cauza acumulării de căldură și a conducerii căldurii. Pe măsură ce înălțimea stratului crește, zona de creștere a temperaturii stratului depus devine plată.

În rezumat, mediile aplicabile ale mai multor modele de surse de căldură laser utilizate pe scară largă sunt rezumate în Tabelul 1. În simularea câmpului de temperatură, tendințele de distribuție a câmpului de temperatură obținute de diferite modele sunt similare, toate sub formă de comete eliptice și principala diferență. este diferitele zone cu temperaturi ridicate; în simularea câmpului de curgere, distribuția generală a câmpului de curgere a bazinului topit obținut prin diferite modele de surse de căldură este similară, iar zona de mare viteză este, de asemenea, concentrată în centrul bazinului topit. Principala diferență este că dimensiunea bazinului topit este diferită, iar modelul sursei de căldură cu distribuție mai dispersă a energiei obține o adâncime și lățime de topire mai mici. Deoarece parametrii procesului sunt complexi în procesul real de placare, Tabelul 1 este doar pentru referință, iar modelul sursei de căldură trebuie selectat în mod rezonabil în funcție de condițiile experimentale reale.

3 Progresul cercetării suprafeței lichide libere în simularea numerică a placajului cu laser

În procesul de placare cu laser, suprafața lichidă liberă a bazinului topit este în contact direct cu aerul, care este afectat în principal de tensiunea superficială și determină direct profilul de dimensiune al stratului de placare. În prezent, metodele principale pentru studierea suprafeței libere a bazinului topit includ metoda Level Set bazată pe grile fixe, metoda Volume of Fluid, metoda Coupled Level Set și metoda Volume of Fluid, metoda Phase Field și metoda Metoda arbitrară lagrangian-euleriana bazată pe grile mobile.

3.1 Metoda de setare a nivelului

Metoda Level Set (LS), cunoscută și sub denumirea de metoda funcției izosurface[49], utilizează o funcție de câmp de distanță pentru a descrie interfața dinamică. Metoda Level Set a fost propusă inițial pentru a studia interfața fluxului multifazic și este acum utilizată și în recunoașterea imaginilor, reconstrucția interfeței și în alte domenii. Liu și colab.[50] a folosit metoda Level Set pentru a urmări suprafața liberă a metalului topit în topirea selectivă cu laser și a constatat că perturbarea instabilă cauzată de modificarea tensiunii superficiale a cauzat depresiuni locale pe suprafața bazinului topit, afectând astfel rugozitatea suprafeței placajului. strat după formare. Cu toate acestea, disiparea numerică a metodei LS este relativ gravă în timpul calculului, ceea ce este predispus la probleme de non-conservare în masă.

3.2 Metoda volumului fluidului

Metoda Volume of Fluid (VOF) descrie interfața liberă prin definirea unei funcții de fracție de volum și reconstruiește interfața prin rezolvarea fracțiunii de volum într-o singură grilă. Metoda VOF are o conservare a masei mai bună decât metoda LS. Ye Chen [51] a simulat și a prezis profilul de dimensiune al stratului de placare al placajului laser pe baza metodei VOF și a verificat rezultatele simulării prin experimente ortogonale. Rezultatele comparației celor trei grupe de date, și anume, înălțimea de topire, adâncimea de topire și rata de diluare, au arătat o abatere de 10%, ceea ce a dovedit acuratețea modelului numeric. Cu toate acestea, acuratețea interfeței libere construite prin metoda VOF nu este suficient de mare, iar fluxul în direcția normală a interfeței nu poate fi urmărit cu precizie [52]. Wen Baoxian și colab. [53] a stabilit un model de sursă de căldură corporală de distribuție a energiei laser în patul de pulbere pe baza legii de propagare a fasciculului de lumină în mediul de pulbere pe baza software-ului fluent și a modificat metoda clasică VOF și a propus o metodă VOF care poate poate fi folosit pentru a simula fenomenul de colaps după topirea pulberii. Rezultatele calculului arată că modificarea volumului stratului de pulbere va afecta câmpul de temperatură și câmpul de viteză al bazinului topit și al împrejurimilor acestuia, precum și morfologia finală a piesei de prelucrat.

3.3 Metoda setării nivelului cuplat și metoda volumului fluidului

Metoda Coupled Level-set with VOF (CLSVOF) combină avantajele metodei LS și ale metodei VOF și are o bună acuratețe a reconstrucției interfeței și conservarea masei. Wei și colab. [54] au combinat metoda LS și metoda VOF pentru a propune un model de flux multifazic cuplat pentru a studia transferul de căldură și masă în timpul depunerii cu laser a firului fierbinte și curgerea suprafeței libere. Modelul poate surprinde fluctuațiile subtile ale interfeței gaz/lichid de aproximativ 0.03 mm. Wang Xiangyu și colab. [55] a folosit metoda CLSVOF pentru a prezice schimbarea suprafeței lichidului liber a bazinului topit, a analizat transferul de masă în interiorul bazinului topit și a propus un model de curgere multifazică pentru simularea microfluxului de placare cu laser a materialelor eterogene. Abaterile dintre experiment și simulare au fost de 9%. În plus, în domeniul topirii selective cu laser, Thorsten Heeling et al. [56] a stabilit un model numeric de simulare a bazinului de topire pe baza metodei CLSVOF. La analiza mărimii bazinului topit obţinută prin simulare şi experiment, s-a constatat că abaterea adâncimii bazinului topit a crescut odată cu creşterea vitezei de scanare, în timp ce abaterea dimensiunii secţiunii transversale a scăzut odată cu creşterea vitezei de scanare.

3.4 Metoda câmpului de fază

Metoda Phase Field (PF) se bazează pe teoria Ginzburg-Landau și rezolvă modificările tranzitorii ale interfeței prin ecuații diferențiale [57]. Spre deosebire de metoda VOF, nu necesită reconstrucția interfeței. În comparație cu metoda LS, nu necesită inițializarea obositoare a funcției de distanță. Suma de calcul este relativ mică și are avantaje unice în tratarea problemelor de suprafață lichidă liberă cu scale mai mici sau sensibilitate ridicată la tensiunea superficială. Jin şi colab. [58] a stabilit un model de simulare numerică bidimensională a topirii stratului de pulbere laser bazat pe metoda câmpului de fază și a constatat că efectul Marangoni va determina formarea de bule în bazinul topit. Procesul de topire și creșterea puterii laserului pot ajuta la eliminarea porilor, așa cum se arată în Figura 22.

3.5 Metode arbitrare Lagrangiane și Euler

Metoda Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) urmărește interfața dinamică prin funcția de mișcare a interfeței. Combină avantajele celor două metode de descriere, Lagrangiană și Euleriană, și are avantaje evidente în abordarea problemelor de cuplare lichid-solid de înaltă precizie și de suprafață lichidă. Pe baza metodei ALE, Tian et al. [59] au folosit software-ul COMSOL pentru a stabili un model cu elemente finite de transfer de căldură și flux de fluid, care conține parametri fizici multipli și au explorat influența diferiților parametri de proces asupra ratei de diluție și a geometriei bazinului de topire. Rezultatele arată că într-un anumit interval, rata de diluție este legată liniar de raportul relativ energie-masă. În plus, odată cu creșterea raportului energie-masă relativă, însoțită de fluxul de fluid în bazinul topit, interfața solid-lichid în formă de arc de la fundul bazinului topit se schimbă treptat de la puțin adânc la adânc, așa cum se arată în Figura 23. Gan și colab. [60] a stabilit un model multifazic de transfer de căldură și masă pentru depunerea directă cu laser și a folosit metoda ALE bazată pe tehnologia ochiurilor dinamice pentru a urmări modificările dinamice ale suprafeței bazinului topit și a calculat profilul de dimensiune a bazinului topit și distribuția compoziției, indicând faptul că convecția este principalul mecanism de transfer de masă al elementelor de aliaj în bazinul topit.
Pe scurt, avantajele și dezavantajele metodelor de urmărire a suprafeței lichide libere de mai sus sunt rezumate în Tabelul 2.

4 Verificarea modelului de simulare a bazinului topit placaj cu laser

În studiul simulării numerice a placajului cu laser, este necesar să se stabilească un model de analiză numerică rezonabil și să se verifice modelul. Verificarea modelului actual se face în principal prin achiziționarea temperaturii bazinului topit, a imaginii și a altor semnale, folosind tehnologia computerizată pentru procesarea semnalului și, în final, prin compararea și verificarea cu datele de simulare a câmpului de temperatură și a câmpului de curgere.

4.1 Verificarea câmpului de temperatură

Detectarea temperaturii piscinei topite cu placaj cu laser este împărțită în detecție prin contact și detecție fără contact [62]. Detectarea temperaturii de contact utilizată în mod obișnuit se face în principal prin măsurarea temperaturii termocuplului, iar elementul de detectare a temperaturii este în contact direct cu ținta care trebuie măsurată. Avantajul este operarea simplă și precizia ridicată a detectării. Li Yanmin și colab. [63] au folosit termocupluri pentru a măsura temperatura substratului și s-au combinat cu simularea numerică pentru a analiza distribuția temperaturii în interiorul bazinului topit și a obținut aproximativ schimbarea temperaturii bazinului topit. Deoarece temperatura din centrul bazinului topit placarea laser este prea mare, elementul de detectare a temperaturii nu poate măsura temperatura din centrul bazinului topit, iar mediul de lucru pe termen lung la temperatură înaltă va reduce foarte mult durata de viață a echipament de detectare. Prin urmare, curentul principal de detectare a temperaturii piscinei topite adoptă măsurarea temperaturii fără contact. Măsurarea temperaturii fără contact a bazinului topit al placajului laser include în principal măsurarea temperaturii monocrom, măsurarea temperaturii colorimetrică și achiziția semnalului de imagine și măsurarea temperaturii prin CCD [64]. Peng Cheng și colab. [65] a folosit software-ul ANSYS pentru a simula distribuția câmpului de temperatură în timpul procesului de formare a placajului peretelui subțire din aliaj de titan și a proiectat un sistem de detectare online a temperaturii piscinei topite de placare laser cu inel gol, folosind un termometru cu două culori, a măsurat temperatura reală și a verificat. rezultatele simulării. Rezultatele arată că, pe măsură ce stratul de depunere se acumulează în sus, fenomenul de acumulare a căldurii devine mai grav. Forien și colab. [66] a proiectat un sistem de detectare in situ pentru bazinul de topire în procesul de topire a stratului de pulbere cu laser folosind măsurarea temperaturii diodei la temperatură înaltă și tehnologia de imagistică de mare viteză. Ei au descoperit că modificarea semnalului pirometrului a fost legată de zona de formare a porilor, iar probabilitatea de formare a porilor a crescut brusc în zona de tranziție a semnalului la temperatură înaltă (5% ~ 95%).

4.2 Verificarea câmpului debitului

Verificarea câmpului de curgere a bazinului topit include în principal două tipuri: detecție in situ și detecție non-in situ. Detectarea in situ folosește în principal o cameră CCD sau o cameră CMOS pentru a obține imaginea morfologică a suprafeței bazinului topit în timp real în timpul procesului de placare cu laser. După procesarea imaginii, aceasta este comparată cu datele de simulare pentru verificare. Wirth și colab. [67] a proiectat un sistem de achiziție online a imaginilor camerei de mare viteză cu placare cu laser (așa cum se arată în Figura 24) pentru a obține legea de curgere a suprafeței piscinei topite și viteza de mișcare a particulelor. Analiza a constatat că direcția de curgere locală a bazinului topit este afectată de parametrii procesului și are o anumită aleatorie. În majoritatea simulărilor numerice, ipoteza că fluidul din bazinul topit este flux laminar va avea un anumit impact asupra rezultatelor simulării. Huang Jiankang și colab. [68] a folosit metoda de urmărire a particulelor combinată cu un sistem de imagistică în oglindă a bazinului topit pentru a studia comportamentul curgerii suprafeței bazinului topit prin sudarea TIG. Prin calibrarea relației de cartografiere dintre lățimea reală a bazinului topit și lățimea pixelilor datelor video, ei au calculat că viteza de curgere a suprafeței bazinului topit era de aproximativ 12 mm/s (oțel inoxidabil 304) și 15 mm/s (carbon Q235). oţel). Detectarea non-in-situ detectează în principal profilul de dimensiune și proprietățile mecanice ale probelor experimentale și apoi le compară cu datele de simulare pentru verificare. Wu Jiazhu [68] a studiat mecanismul de transfer al fluxului de căldură al procesului de depunere directă a metalului cu laser, a măsurat adâncimea de topire a probei și înălțimea stratului de depunere obținute prin experiment și le-a comparat cu datele profilului formei bazinului topit obținute prin simulare, verificând că modelul are o precizie mare de predicție (≥95%).

5 Rezumat și Outlook

Simularea câmpului de temperatură și a câmpului de curgere a placajului cu laser este propice pentru dezvăluirea caracteristicilor dinamice metalurgice ale bazinului topit, dar există încă următoarele probleme:

1) În studiul simulării câmpului de curgere a bazinului topit, condițiile la limită nu sunt perfecte. În general, numai tensiunea superficială, gravitația și flotabilitatea bazinului topit sunt luate în considerare pentru forțele asupra fluidului din bazinul topit, iar presiunea gazului protector și impactul particulelor de pulbere netopită asupra suprafeței bazinului topit sunt considerate mai puține. .

2) În procesul de studiere a modificărilor câmpului de temperatură și câmpului de curgere din interiorul bazinului topit, unii cercetători vor presta în prealabil forma stratului de placare sau vor presupune că bazinul topit este situat în plan la stabilirea modelului cu elemente finite. , ignorând în același timp suprafața liberă a bazinului topit lichid/gaz, ceea ce limitează acuratețea acestor modele pentru analiza mișcării bazinului topit și a interfeței lichid/gaz, precum și studiul mecanismului de curgere al bazinului topit.

3) Majoritatea studiilor se bazează pe substraturi orizontale, dar piesele care trebuie reparate sunt adesea complexe ca formă și pe suprafețe de bază neorizontale. Prin urmare, placarea cu laser pe suprafețele de bază neorizontale necesită cercetări suplimentare.

Având în vedere deficiențele de mai sus, se propun următoarele măsuri de îmbunătățire.

1) Îmbunătățiți condițiile la limită. Presiunea gazului de protecție este măsurată experimental, cuantificată și adăugată la suprafața bazinului topit ca o condiție limită.

2) Îmbunătățirea modelului numeric. Cercetarea de simulare a câmpului de curgere de pulbere al duzei de placare cu laser este deja foarte matură. Putem încerca să combinăm modelul de fază discretă pentru a adăuga simultan materiale pulbere pentru a forma stratul de placare în timpul procesului de simulare și pentru a stabili un model de transfer de căldură și masă adecvat cu flux multifazic.

3) Mecanismul de formare și procesul de evoluție al stratului de placare ar trebui analizat în combinație cu forța internă a bazinului topit, iar o explicație științifică a comportamentului curgerii și a modificărilor morfologice ale bazinului topit în poziție variabilă va fi următoarea cercetare cheie. direcţie.