Кратко описаны силы, действующие на расплавленную ванну лазерной оболочки, включая поверхностное натяжение, силу вязкого сдвига, гравитацию и давление защитного газа, а также кратко проанализирован механизм формирования плакирующего слоя с точки зрения роста тканей и течения расплавленной ванны. В то же время суммируются законы распределения энергии и уравнения различных моделей источников тепла, используемых при моделировании лазерной наплавки, включая поверхностный гауссов источник тепла, поверхностный кольцевой источник тепла, источник тепла гауссовского тела, эллипсоидный источник тепла и комбинированный источник тепла тела. На этой основе прогресс в исследованиях по численному моделированию температурного поля и поля течения лазерная оболочка Ванна расплава в стране и за рубежом в последние годы классифицируется и рассматривается, а также анализируются преимущества и недостатки различных моделей источников тепла. Обобщены применимая среда различных источников тепла и законы распределения полученного температурного поля и поля течения. Кроме того, обобщены методы исследования свободной поверхности жидкости ванны расплава, а также методы проверки численных имитационных моделей температурного поля и поля течения. В то же время, учитывая проблемы, существующие в исследовании численного моделирования расплавленной ванны лазерной оболочки, они суммируются с точки зрения численных моделей и граничных условий, и, наконец, просматриваются будущие направления развития.

Лазерная наплавка — это новый процесс модификации поверхности и ремонта материалов. Он добавляет плакирующий материал на поверхность подложки путем распределения или подачи порошка и использует высокоэнергетический лазерный луч для быстрого плавления материала плакирующего слоя с образованием плакирующего слоя с хорошей металлургической связью на поверхности подложки, тем самым изменяя состав подложки. поверхности и улучшение поверхностных свойств материала [1]. Во время процесса лазерной наплавки расплавленная ванна нестационарна и будет возмущаться потоком Марангони, впрыском порошка, доставкой порошка, турбулентностью в защитном газе и переменными параметрами обработки [2]. Большое количество исследований показало, что сила Марангони, обусловленная поверхностным натяжением, оказывает важное влияние на течение ванны расплава [3-4], что также является ключевым фактором в определении морфологии и разбавления плакирующего слоя. Поведение течения в ванне расплава оказывает непосредственное влияние на эволюцию структуры материала. Гидродинамика и геометрическая эволюция жидкой ванны расплава напрямую связаны с механическими свойствами материала аддитивного производства. Поскольку сварочная ванна формируется за чрезвычайно короткое время, а размер расплавленной ванны невелик, точно отслеживать мгновенную эволюцию расплавленной ванны в реальном времени в ходе эксперимента практически невозможно. Поэтому с развитием компьютерных технологий численное моделирование поведения динамического потока внутри ванны расплава посредством моделирования методом конечных элементов стало основным направлением. При численном моделировании расплавленной ванны лазерной наплавки разумная модель источника тепла является ключом к получению точных результатов численного моделирования. Как правило, соответствующая модель источника тепла определяется в соответствии с лазерным источником тепла, требуемым фактическими условиями работы. Длина затухания материала в основном зависит от коэффициента поглощения материала для конкретной длины волны лазера. В зависимости от длины затухания материала для лазера модель источника тепла в процессе лазерной наплавки можно разделить на источник тепла поверхности и источник тепла тела. Если лазер воздействует на поверхность материала, энергия лазера спадает до 0 после короткого расстояния передачи. Можно предположить, что энергия полностью поглощается на поверхности материала, а поглощение лазерной энергии материалом матрицы можно назвать поверхностным поглощением; если глубина прохождения большая, даже превышающая толщину материала, это можно назвать поглощением тела [5].

В этой статье сначала кратко описывается механизм формирования расплавленной ванны лазерной наплавки, а затем классифицируется и рассматривается ход исследований по численному моделированию расплавленной ванны лазерной наплавки в рамках нескольких широко используемых моделей источника тепла, обобщается состояние исследований поля температуры расплавленной ванны и численного поля течения. моделирование при различных источниках тепла и, наконец, с нетерпением жду проблемы моделирования ванны расплава при лазерной наплавке.

1 Механизм формирования расплавленной ванны лазерной наплавки

В процессе лазерной наплавки плотность энергии лазерного излучения высока. Теплопроводность и конвекция контролируют физическую эволюцию ванны расплава и непосредственно определяют температурное поле и распределение поля течения в ванне расплава. Расплавленная масса лазерной оболочки может достичь равновесия за очень короткое время, при этом наблюдается большой градиент температуры и быстрая циклическая конвекция. Сфокусированный лазерный луч попадает на металлическую подложку, температура подложки повышается, и она плавится, образуя расплавленную ванну. Сопло синхронно распыляет металлический порошок в ванну расплава. Жидкий металл в ванне расплава конвектируется под действием напряжения Марангони. Температура внутри ванны расплава постепенно становится однородной. Расплав стекает к краю ванны расплава, достигает поверхности ванны расплава и затвердевает, образуя плакирующий слой. Сонг и др. В работе [6] проанализировано формирование расплавленной ванны, характер внутренней конвекции и поведение при затвердевании плакирующего слоя.

Силы в ванне расплава сложны. Основной движущей силой течения жидкости в ванне расплава является поток Марангони, создаваемый балансом плавучести, градиента поверхностного натяжения и вязкой силы сдвига [7]. Ши Цзяньцзюнь [8] проанализировал трехмерную силу ванны расплава. Силовой анализ расплавленной ванны показан на рисунке 1, который в основном включает в себя поверхностное натяжение Fγ, силу вязкого сдвига Fμ, силу тяжести G и давление защитного газа Fp, а θ — угол отклонения подложки. Под совместным действием поверхностного натяжения, силы тяжести, силы вязкого сдвига и давления защитного газа расплавленный металл образует динамически сбалансированную ванну расплавленного металла. Среди них поверхностное натяжение оказывает наибольшее влияние на ванну расплава, а поток жидкости в ванне расплава в основном обусловлен конвекцией Марангони, вызываемой поверхностным натяжением.

2 Ход исследований модели источника тепла для численного моделирования лазерной наплавки

2.1 Поверхностный гауссов источник тепла

В настоящее время в большинстве численных моделей лазерной наплавки используется гауссова модель источника тепла, как показано на рисунке 2. Энергия лазера обычно распределяется в пространстве: больше в центре и меньше на краях, что соответствует реальному процессу обработки. Однако распределение энергии по глубине ванны расплава игнорируется, поэтому оно не подходит для условий работы с более глубокой ванной расплава.

Выражение уравнения плотности теплового потока имеет вид: См. формулы (1) и (2) на рисунке. Где: q(r) – поверхностный тепловой поток на радиусе r, Вт/м2; R – расстояние от центра пятна, м; c – коэффициент концентрации теплового потока, м2; qm – максимальный тепловой поток в центре источника тепла, Вт/м2; P – мощность лазера, Вт; η — коэффициент использования лазера.

Источник тепла с гауссовой поверхностью подходит для условий обработки с небольшой шириной и глубиной ванны расплава, а также толщиной плакирующего слоя. Для численного моделирования температурного поля ванны расплава Wang Zhijian et al. [10] использовали источник тепла с гауссовой поверхностью для численного моделирования процесса затвердевания однопроходной однослойной лазерной расплавленной ванны титанового сплава TC4. Исследование показало, что при однопроходной лазерной наплавке из-за быстрой теплопередачи на хвосте тепло на переднем конце ванны расплава более концентрируется, чем на заднем конце, а глубина расплава больше. С увеличением мощности лазера глубина расплава ванны и дальность зоны термического влияния постепенно увеличиваются за счет увеличения энергозатрат. Пант и др. [11] разработали модель смешивания ванны расплава, основанную на методе конечных элементов, и изучили поведение теплопередачи ванны расплава во время плавления лазерным напылением. Результаты показывают, что расплавленная ванна имеет эллиптическую форму спереди и форму кометы с вытянутым хвостом. Ширина расплавленной ванны увеличивается с увеличением мощности лазера (как показано на рисунке 3). Скорость охлаждения увеличивается с увеличением скорости сканирования, а увеличение мощности лазера приведет к увеличению градиента температуры в ванне расплава, и скорость охлаждения соответственно увеличится.

Кроме того, некоторые ученые изучили трехмерное морфологическое моделирование ванны расплава под гауссовским поверхностным источником тепла. Фаллах и др. [12] предложили моделирование переходных процессов с помощью модели конечных элементов для прогнозирования размера и эволюции морфологии ванны расплава во время лазерного осаждения порошка. Результаты показали, что смоделированный прогнозируемый профиль ванны расплава был близок к эксперименту.
но никакого конкретного анализа температурного поля и поля течения ванны расплава не проводилось. Гао и др. [13] создали трехмерную модель численного прогнозирования для однопроходной обработки во время лазерной наплавки. При использовании источника тепла с гауссовым распределением и на основе метода единиц рождения и смерти геометрическую форму плакирующего слоя не нужно задавать заранее. Одновременно рассчитываются нестационарное температурное поле и геометрическая структура плакирующего слоя. Полученная форма оболочки хорошо согласуется с экспериментальными результатами, как показано на рисунке 4. Кроме того, они также проанализировали влияние параметров процесса на температурное поле и геометрическую форму плакирующего слоя.

Некоторые ученые заранее задают трехмерную форму плакирующего слоя при использовании гауссовского поверхностного источника тепла для моделирования поля течения ванны расплава. Лю Хан и др. [14] создали трехмерную модель, основанную на реальном контуре размера слоя осаждения при численном моделировании поля температуры и поля напряжений в процессе трехмерного формования лазерным осаждением. На этой основе создана конечно-элементная модель расплавленной ванны синхронного лазерного осаждения порошка шелка и получен закон распределения поля течения расплавленной ванны. На поперечном сечении ванны расплава образуются две симметрично распределенные циркуляции и две радиальные циркуляции: сильная спереди и слабая сзади. Распределение жидкости по верхней поверхности ванны расплава демонстрирует закон диффузии от центра к краю. Ли и др. [15] создали многополевую модель процесса лазерной наплавки дисков на основе программного обеспечения COMSOL и рассчитали теплофизические свойства материала с использованием метода CALPHAD. С помощью гауссовского поверхностного источника тепла всесторонне рассмотрено взаимодействие лазерного луча с порошком, напряженные условия внутри ванны расплава, а также получен закон изменения температурного поля и поля течения в процессе лазерной наплавки диска. Ванна расплава имеет эллипсоидную форму, и самая высокая температура наблюдается в задней части центра ванны расплава. На ранней стадии плакирования скорость потока ванны расплава низкая, и теплопроводность играет важную роль в передаче энергии ванны расплава; по мере продолжения процесса плакирования скорость потока расплавленного металла в ванне ускоряется, и в это время главную роль играет тепловая конвекция, как показано на рисунках 5 и 6.

2.2 Поверхностный кольцевой источник тепла

Поверхностный кольцевой источник тепла — это модель источника тепла, уникальная для численного моделирования полой кольцевой лазерной оболочки. Он основан на новом процессе полой кольцевой лазерной наплавки «полый луч и подача порошка в луч», который имеет уникальные преимущества по сравнению с традиционной «сплошной лазерной» наплавкой. Его основной принцип заключается в преобразовании сплошного пучка в полый кольцевой пучок с помощью системы преобразования пучка [16-17], так что область концентрации распределения энергии изменяется от центра к внешнему краю (как показано на рисунке 7), что может устранить явление неполного плавления на краю расплавленного канала, вызванное гауссовской твердой лазерной наплавкой, и устранить недостаток плохой металлургической связи [18].

Распределение энергии в его кольцевой области также похоже на распределение Гаусса, а функция распределения энергии имеет вид: См. формулу (3) на рисунке. Где: R0 – внешний диаметр лазера в фокусе, мм; z – дефокусировка, мм; φ — угол между полым лазерным лучом и горизонтальным направлением; ξ – коэффициент положения энергетического пика.

Тянь Мэйлин и др. [18] использовали программное обеспечение для анализа методом конечных элементов ANSYS для моделирования температурного поля кольцевой полой лазерной ванны и провели теоретический анализ трехмерного распределения поля течения. Поле течения расплавленной ванны полой лазерной оболочки показало симметричное четырехкольцевое распределение потока, как показано на рисунке 8. Ши Гаолян [20] использовал программное обеспечение ANSYS для конечных элементов и на основе модели поверхностного полого кольцевого источника тепла для моделирования переходной температуры. поля расплавленной ванны образца стали 45, плакирующего сплав Fe313, и получен закон эволюции температурного поля полой лазерной плакирующей расплавленной ванны. Из-за эффекта накопления тепла в процессе наплавки температура в ванне расплава постепенно увеличивается с увеличением времени и высоты сканирования. Форма, положение и распределение плотности энергии расплавленной ванны, а также качество формованной детали существенно изменятся с изменением рабочего цикла. Ли Гуанци и др. В работе [21] смоделировали нагружение полого кольцевого лазера на базе программного обеспечения ANSYS с использованием языка APDL в сочетании с методом единиц рождения-смерти и получили закон распределения температурного поля оболочного слоя. Общее распределение температурного поля в процессе наплавки имело «кометный» характер. На начальном этапе сканирования пятно имело форму полного кольца с тем же теоретическим распределением энергии. По мере продвижения процесса сканирования высокотемпературная область в целом перемещалась назад, постепенно превращаясь из формы кольца в форму седла, как показано на рисунке 9. Это подтверждает характеристики полого кольцевого лазера с энергией «низкой посередине». и высоко на краю». Кроме того, поверхностный слой температурного поля плакирующего слоя имел «форму глубокой долины» с высокой с обеих сторон и низкой в ​​середине, а в направлении глубины плакирующего слоя температура постепенно снижалась с увеличением глубины. , как показано на рисунке 10.

2.3 Источник тепла гауссова тела

В реальном процессе лазерной наплавки лазерный луч движется с определенной скоростью, и распределение энергии неоднородно, особенно распределение энергии источника света, перпендикулярного направлению сканирования, совершенно другое, и модель поверхностного источника тепла не может проникнуть в расплавленная ванна. Таким образом, появился источник тепла тела. Лазерная энергия источника тепла корпуса не только осаждается на поверхности слоя порошка, но и может проникать внутрь плакирующего слоя, что повышает точность расчета переходного температурного поля или поля течения ванны расплава [ 22]. Некоторые ученые создали источник тепла вращающегося тела Гаусса на основе модели источника тепла на поверхности Гаусса, как показано на рисунке 11. Вращающееся тело с поверхностью Гаусса образуется путем вращения кривой Гаусса вокруг ее оси симметрии. Если предположить, что вся энергия источника тепла распределена внутри этого поверхностного тела, плотность теплового потока в поперечном сечении представляет собой распределение Гаусса.

Функция распределения энергии имеет вид: см. формулы (4) и (5) на рисунке. Где: е – природное основание; R0 – радиус отверстия источника тепла; H – высота источника тепла; Q – мощность источника тепла.

Гауссов источник тепла является наиболее широко используемой моделью источника тепла для численного моделирования расплавленной ванны лазерной наплавки. Чжан Керонг и др. [24] численно смоделировали переходный процесс лазерной сварки глубокой плавкой замочной скважины из титанового сплава TC4 на основе модели вращающегося гауссовского объемного источника тепла, а также проанализировали влияние различных параметров процесса на морфологию замочной скважины в сочетании с экспериментами. Исследование показало, что с увеличением плотности лазерной энергии, увеличением мощности лазера или уменьшением диаметра пятна глубина замочной скважины увеличивалась, а размер становился шире. Диаметр пятна является параметром процесса, оказывающим наибольшее влияние на морфологию замочной скважины. Сан и др. [25] смоделировали частицы порошка при лазерном направленном осаждении энергии на основе свободного программного обеспечения с использованием модели дискретной фазы и проанализировали морфологию слоя осаждения порошка и распределение полей температуры и скорости в сочетании с гауссовой моделью источника тепла. Результаты показывают, что при прямом напылении высокоскоростной лазерной энергии скорость нисходящего потока в зоне действия порошка является доминирующей из-за давления, вызванного подачей порошка, как показано на рисунке 12.

При численном моделировании морфологии ванны расплава на основе гауссова источника тепла. Чай и др. В работе [26] создана численная модель лазерной наплавки на наклонную подложку на основе клеточно-автоматного метода и смоделировано влияние различных углов наклона на относительную площадь поперечного сечения, ширину, высоту и смещение вершины плакирующего слоя, как показано на рис. Рисунок 13. Результаты показывают, что относительная площадь поперечного сечения сначала увеличивается, затем уменьшается, а затем имеет тенденцию к стабилизации с увеличением угла наклона подложки; ширина облицовочного слоя увеличивается с увеличением угла наклона, а высота сначала увеличивается, а затем уменьшается; с увеличением угла наклона подложки гравитационная составляющая плакирующего слоя становится все больше и смещение вершины постепенно увеличивается.

2.4 Эллипсоидальный источник тепла

Распределение энергии в расплавленной ванне при лазерной наплавке часто не представляет собой трехмерное гауссово тело вращения. Для более точного моделирования размеров и формы ванны расплава предложен источник тепла с эллипсоидальным распределительным телом. Существует два типа эллипсоидальных источников тепла: одиночный эллипсоидный источник тепла с симметрией спереди назад и двойной эллипсоидальный источник тепла с различным распределением энергии спереди назад. Вначале некоторые учёные предлагали полусферический источник тепла [27], и его функция распределения энергии имеет вид: см. формулу (6) на рисунке. Где: q(x,y,z) — плотность теплового потока точки (x,y,z) в системе координат; с — радиус сферы; Q – скорость подвода тепла.

Согласно большому количеству экспериментальных наблюдений, реальный источник тепла расположен несимметрично спереди и сзади. Поэтому исследователи предложили источник тепла в виде двойного эллипсоида (как показано на рисунке 14), в котором передняя и задняя части представляют собой два эллипсоида размером 1/4 соответственно.

Его функции распределения энергии спереди и сзади: См. формулу (7) на рисунке. Где: qf и qr – распределение теплового потока в переднем и заднем полуэллипсоидах соответственно; af и ar — полуоси переднего и заднего полуэллипсоидов соответственно; bh и ch — две другие полуоси переднего и заднего полуэллипсоидов соответственно, причем две короткие полуоси двух эллипсоидов равны; ff и fr — доли тепловложения в переднем и заднем полуэллипсоидах соответственно, ff + fr = 1.

Из-за большого размера расплавленной ванны, генерируемой эллипсоидным источником тепла, она широко используется при численном моделировании процессов лазерной обработки, таких как лазерная сварка [29-30] и предварительно настроенная лазерная наплавка. Хосин и др. В работе [31] проанализированы различия между тремя моделями источников тепла (эллипсоидный источник тепла, двойной эллипсоидный источник тепла и цилиндрический источник тепла) при моделировании эволюции температурного поля и контура расплавленной ванны при селективном лазерном плавлении. Результаты показали, что три модели источника тепла имеют свои уникальные преимущества при расчете температурного поля и контура ванны расплава. Цилиндрический источник тепла подходит для расчета температурного поля ванны расплава, тогда как эллипсоидный источник тепла имеет более высокую точность расчета контура ванны расплава. Луо Синлей и др. [32] использовали ANSYS APDL для моделирования температурного поля одноканальной селективной лазерной плавки и сравнили результаты моделирования при гауссовском поверхностном источнике тепла и двойном эллипсоидном источнике тепла. Результаты показывают, что источник тепла с двойным эллипсоидом лучше согласуется с экспериментальными результатами, чем источник тепла с гауссовой поверхностью, поскольку его распределение энергии ближе к реальному лазерному источнику тепла. В процессе селективного лазерного плавления без изменения плотности входной энергии лазера увеличение мощности лазера и скорости сканирования позволит значительно увеличить глубину и ширину ванны расплава, как показано на рисунке 15.

Некоторые ученые также провели углубленные исследования изменений температурного поля ванны расплава при различных параметрах процесса. Хао Сяоцзе [33] использовал программное обеспечение ABAQUS для анализа изменения температурного поля во время селективного лазерного плавления. Он использовал источник тепла в виде двойного эллипсоида, который распределял подводимую лазерную энергию в определенном объеме и подавал ее к узлам модели материала в виде плотности теплового потока. Он изучал влияние различных параметров процесса на температурное поле при лазерной плавке. Когда увеличивается только мощность лазера, соответственно увеличиваются средняя скорость нагрева и охлаждения в ванне расплава, а также размер ванны; когда увеличивается только скорость сканирования, средняя скорость нагрева и скорость охлаждения в ванне расплава постоянно увеличиваются, в то время как размер ванны расплава относительно уменьшается; Расстояние сканирования влияет на эффект переплавки между каналами расплава, а толщина порошка влияет на эффект сцепления между слоями сканирования.

2.5 Комбинированный источник тепла

Единый объемно-распределительный источник тепла упрощает закон распределения источника тепла в направлении глубины ванны расплава и не различает разницу в распределении лазерной энергии на поверхности и внутри ванны расплава [34]. Таким образом, получают комбинированные источники тепла, такие как источник тепла сегментированного тела, комбинированный источник тепла с двойным эллипсоидным конусом и комбинированный источник тепла, сочетающий источник тепла с гауссовой поверхностью и источник тепла тела. Комбинированный источник тепла сочетает в себе преимущества поверхностного источника тепла и источника тепла тела, больше соответствует реальным условиям работы и имеет более высокую точность моделирования. В комбинированном источнике тепла поверхностный источник тепла обычно представляет собой источник тепла на поверхности с гауссовым распределением теплового потока, а источник тепла для тела обычно представляет собой источник тепла в виде линейно ослабленного гауссовского цилиндра или источник тепла вращающегося тела с уменьшающимся тепловым потоком [35].

Цай Хайпэн и др. [36] усовершенствовали источник сварочного тепла на основе движущегося гауссовского источника тепла, создали сегментированную модель источника тепла, использовали грубые сетки и соответствующую сегментацию источников тепла для расчета проблемы сварочной деформации, а также объединили технологию локальной уточненной сетки для моделирования эволюция стресса. Ван Цибин и др. [37] использовали комбинированный источник тепла, объединяющий верхнюю часть источника тепла с двойным эллипсоидом и нижнюю часть источника тепла с вращающимся телом Гаусса для моделирования поля тепла и потока расплавленной ванны во время гибридной лазерно-MIG сварки инварной стали. Результаты показали, что распределение поля температуры ванны расплава, смоделированное с помощью комбинированного источника тепла, в основном соответствовало фактическим экспериментальным результатам. Се Инкай и др. [38] установили комбинированный источник тепла, состоящий из параболического вращающегося тела (нижняя половина) и цилиндрического источника тепла (верхняя половина) (как показано на рисунке 16) для моделирования конкретных возмущений размера расплавленной ванны, потока расплава и газа. -безжидкостный интерфейс при лазерном селективном плавлении. При однопроходной наплавке скорость сканирования и толщина слоя порошка являются доминирующими факторами образования пор. При многопроходной наплавке факторами, влияющими на образование пор, являются в основном интервал сканирования, причем количество пор увеличивается с увеличением интервала сканирования.

Ван Ивэнь и др. [39] создали трехмерную симметричную численную модель неустановившегося движения и тепломассопереноса ванны расплава на основе программного обеспечения Fluent. С использованием трехмерного полусферического источника тепла Гаусса были проанализированы процесс эволюции и поведение потока на границе раздела жидкость/газ расплавленной ванны при различных параметрах процесса, а также была установлена ​​взаимосвязь между потоком, температурой, размером ванны расплавленного металла и качеством поверхности, как показано. на рисунках 17 и 18 соответственно. Результаты показывают, что морфология однопроходного плакирующего слоя, полученная в результате эксперимента и моделирования, аналогична. После образования стабильной ванны расплава жидкость в ванне расплава течет из области с высокой температурой в область с низкой температурой по радиальной форме, и скорость потока постепенно увеличивается от середины к краям. Камера контролирует поток шлака в режиме реального времени, и направление потока моделируемого поля потока соответствует.

2.6 Другие модели источников тепла

С дальнейшим развитием компьютерных технологий некоторые ученые дополнительно оптимизировали существующую модель источника тепла в соответствии с фактическими условиями работы и создали новую модель источника тепла. Кроме того, численное моделирование в некоторых особых условиях обработки также может быть достигнуто с помощью конкретных моделей источников тепла, таких как модель источника тепла широкополосного лазерного луча, модель источника тепла с полым кольцом и т. д.

Лэй Динчжун и др. [40] использовали программу TracePro для моделирования и анализа пути света и распределения сфокусированного пятна светового потока W, формируемого широкополосным лазерным наплавочным соплом с подачей порошка в свет, и создали трехмерную математическую модель широкополосного полого кольца. лазер на поверхности зеркала. Ценг и др. [41] предложили модель лазерного источника тепла на основе программного обеспечения SYSWELD, всесторонне проанализировали влияние характеристик лазерного луча и параметров процесса на температурное поле и форму плакирующего слоя, а также разработали численную модель для экспериментальной проверки лазерной наплавки, которая может могут быть применены к численному моделированию других процессов лазерной обработки. Лю и др. В работе [42] создана модель источника тепла широкополосного лазерного луча, и ее функция распределения по энергии имеет вид: см. формулу (8) на рисунке.
Где: I0=αβP/(wd). α – коэффициент лазерного поглощения, α=0.75; β – энергетический КПД, β=0.98; P – мощность лазера; d – ширина широкополосного лазерного пятна, d=1.5 мм; w – длина широкополосного лазерного пятна, w=15 мм. Лю и др. [42] исследовали температурное поле и поле напряжений однопроходного плакирующего слоя при широколучевой лазерной наплавке, где распределение температурного поля показано на рисунке 19. В сочетании с данными о температуре длина, ширина и глубина расплавленного слоя пул был рассчитан. В то же время обсуждалось влияние параметров процесса, таких как мощность лазера и скорость сканирования, на размер ванны расплава, градиент температуры, скорость охлаждения и скорость затвердевания. Кроме того, было исследовано распределение поля термических напряжений плакирующего слоя в разных направлениях и на разных траекториях.

Фэн Ици [43] разработал модель механики жидкости расплавленной ванны селективного лазерного плавления. На основании характеристик затухания энергии лазера внутри слоя порошка при моделировании использовался источник тепла для тела, ослабляющий интенсивность лазера: см. формулу (9) на рисунке.
Результаты моделирования модели распространения порошка были импортированы в модель механики жидкости ванны расплавленной ванны для прогнозирования поведения потока ванны расплавленного металла, а также был проведен углубленный анализ взаимосвязи между поведением потока, отверстиями и эффектом сфероидизации расплавленной ванны. бассейн в многопроходной облицовке. Результаты показывают, что нижняя поверхность аддитивного материала имеет более плотное распределение порошка, чем плоская нижняя поверхность. Из-за большой неопределенности течения ванны расплава явление сфероидизации в основном возникает на нижней поверхности материала добавки, а нерасплавленные отверстия в основном образуются в сужении канала расплава между несколькими слоями оболочки, как показано на рисунке 20.

Сонг и др. В работе [44] всесторонне рассмотрен эффект затухания взаимодействия струи порошка с лазером и эффект теплоотвода нерасплавленных частиц порошка, попадающих в ванну расплава. На основе программного обеспечения COMSOL создана модель источника тепла для моделирования течения расплава и поверхностного натяжения границы раздела газ-жидкость. Поле температуры и распределение поля течения показаны на рисунке 21. При этом были спрогнозированы кривизна свободной поверхности ванны расплава и размер плакирующего слоя. В трех различных направлениях поперечного сечения направление смоделированного температурного градиента соответствует направлению роста зерна. Экспериментальная проверка ширины, высоты и глубины ванны расплава показывает, что при параметрах процесса с учетом влияния различных мощностей лазера, скорости лазерного сканирования и скорости подачи порошка максимальная ошибка между результатами моделирования и экспериментальными результатами составляет 10%.

Сюй Цзячао и др. [45] создали трехмерную математическую модель полого кольцевого лазерного источника тепла, объединив идею геометрического тела вращения, и получили ее математическую аналитическую формулу следующим образом: см. формулу (10) на рисунке.

Где: f1 – коэффициент преобразования энергии, f1≤1; Q – мощность тепловложения, Вт; ц - положение энергетического пика, который обычно расположен в центре области кольца, т. е. ц = (R+r)/2; а составляет 1/2 ширины кольца, то есть (Rr)/2; R и r — наружный и внутренний диаметр кольцевого пятна, мм; в — глубина источника света, мм. Соответствующие параметры модели источника тепла были определены экспериментально, и модель была загружена на основе программного обеспечения COMSOL для моделирования распределения переходного температурного поля и кривой термического цикла оболочки кольцевого лазера. Пик температуры и пик температуры уменьшаются и увеличиваются соответственно из-за накопления тепла и теплопроводности. По мере увеличения высоты слоя область повышения температуры наплавленного слоя становится плоской.

Таким образом, применимые среды нескольких широко используемых моделей лазерных источников тепла суммированы в таблице 1. При моделировании температурного поля тенденции распределения температурного поля, полученные с помощью разных моделей, аналогичны, все они имеют форму эллиптических комет, и основное отличие это различные области с высокой температурой; При моделировании поля потока общее распределение поля потока ванны расплава, полученное с помощью различных моделей источников тепла, аналогично, а высокоскоростная область также сосредоточена в центре ванны расплава. Основное отличие состоит в том, что размер расплавленной ванны различен, а модель источника тепла с более дисперсным распределением энергии получает меньшую глубину и ширину плавления. Поскольку параметры процесса в реальном процессе плакирования сложны, таблица 1 предназначена только для справки, а модель источника тепла должна быть разумно выбрана в соответствии с фактическими условиями эксперимента.

3 Ход исследования свободной поверхности жидкости при численном моделировании лазерной наплавки

В процессе лазерной наплавки свободная поверхность жидкости расплавленной ванны находится в непосредственном контакте с воздухом, на который в основном влияет поверхностное натяжение и непосредственно определяет профиль размера плакирующего слоя. В настоящее время к основным методам исследования свободной поверхности ванны расплава относятся метод набора уровней на основе фиксированных сеток, метод объема жидкости, метод связанного набора уровней и метод объема жидкости, метод фазового поля и метод Произвольный лагранжево-эйлеров метод, основанный на движущихся сетках.

3.1 Метод установки уровня

Метод набора уровней (LS), также известный как метод функции изоповерхности[49], использует функцию поля расстояний для описания динамического интерфейса. Метод Level Set изначально был предложен для изучения границы раздела многофазных потоков, а теперь также используется в распознавании изображений, реконструкции границы раздела и в других областях. Лю и др. [50] использовал метод Level Set для отслеживания свободной поверхности расплавленного металла при селективной лазерной плавке и обнаружил, что нестабильное возмущение, вызванное изменением поверхностного натяжения, вызывает локальные углубления на поверхности расплавленной ванны, тем самым влияя на шероховатость поверхности оболочки. слой после формирования. Однако численная диссипация метода LS относительно серьезна во время расчета, что приводит к проблемам несохранения массы.

3.2 Метод объема жидкости

Метод объема жидкости (VOF) описывает свободный интерфейс путем определения функции объемной доли и восстанавливает интерфейс путем решения объемной доли в одной сетке. Метод VOF имеет лучшее сохранение массы, чем метод LS. Е Чен [51] смоделировал и спрогнозировал профиль размера плакирующего слоя лазерной наплавки на основе метода VOF и проверил результаты моделирования с помощью ортогональных экспериментов. Результаты сравнения трех групп данных: высоты плавления, глубины плавления и степени разбавления показали отклонение в пределах 10%, что подтвердило точность численной модели. Однако точность свободного интерфейса, построенного методом ВОФ, недостаточно высока, и течение в нормальном направлении интерфейса не может быть точно прослежено [52]. Вэнь Баосянь и др. [53] создали модель источника тепла тела для распределения лазерной энергии в слое порошка на основе закона распространения светового луча в порошковой среде на основе свободного программного обеспечения, а также модифицировали классический метод VOF и предложили метод VOF, который может использоваться для моделирования явления коллапса после плавления порошка. Результаты расчетов показывают, что изменение объема слоя порошка будет влиять на поле температур и поле скоростей ванны расплава и ее окружения, а также на конечную морфологию заготовки.

3.3 Метод связанной установки уровня и метод объема жидкости

Метод «Связанный набор уровней с VOF» (CLSVOF) сочетает в себе преимущества метода LS и метода VOF, а также обладает хорошей точностью восстановления интерфейса и сохранением массы. Вэй и др. [54] объединили метод LS и метод VOF, чтобы предложить модель связанного многофазного потока для изучения тепломассопереноса во время лазерного напыления горячей проволокой и течения на свободной поверхности. Модель может улавливать едва заметные колебания границы раздела газ/жидкость размером около 0.03 мм. Ван Сянъюй и др. В работе [55] использован метод CLSVOF для прогнозирования изменения свободной поверхности жидкости ванны расплава, проанализирован массоперенос внутри ванны расплава и предложена модель многофазного течения для моделирования микропотока при лазерной наплавке гетерогенных материалов. Отклонения между экспериментом и моделированием находились в пределах 9%. Кроме того, в области селективного лазерного плавления Торстен Хилинг и др. В работе [56] создана численная модель ванны расплава на основе метода CLSVOF. При анализе размера ванны расплава, полученного путем моделирования и эксперимента, было обнаружено, что отклонение глубины ванны расплава увеличивается с увеличением скорости сканирования, тогда как отклонение размера поперечного сечения уменьшается с увеличением скорости сканирования.

3.4 Метод фазового поля

Метод фазового поля (PF) основан на теории Гинзбурга-Ландау и решает переходные изменения границы раздела с помощью дифференциальных уравнений [57]. В отличие от метода VOF, он не требует реконструкции интерфейса. По сравнению с методом LS он не требует утомительной инициализации функции расстояния. Объем вычислений относительно невелик, и он имеет уникальные преимущества при решении задач со свободной поверхностью жидкости с меньшими масштабами или с высокой чувствительностью к поверхностному натяжению. Джин и др. [58] создали двумерную численную модель плавления слоя лазерного порошка, основанную на методе фазового поля, и обнаружили, что эффект Марангони вызывает образование пузырьков в ванне расплава. Процесс переплавки и увеличение мощности лазера могут помочь устранить поры, как показано на рисунке 22.

3.5. Произвольные методы Лагранжа и Эйлера.

Метод произвольного лагранжа-эйлера (ALE) отслеживает динамический интерфейс с помощью функции перемещения интерфейса. Он сочетает в себе преимущества двух методов описания, лагранжевого и эйлерова, и имеет очевидные преимущества при решении высокоточных задач свободной поверхности жидкости и задач взаимодействия жидкость-твердое тело. На основе метода ALE Tian et al. [59] использовали программное обеспечение COMSOL для создания конечно-элементной модели теплопередачи и потока жидкости, содержащей множество физических параметров, и исследовали влияние различных параметров процесса на скорость разбавления и геометрию ванны расплава. Результаты показывают, что в определенном диапазоне степень разбавления линейно связана с относительным соотношением энергии к массе. Кроме того, с увеличением относительного отношения энергии к массе, сопровождаемым течением жидкости в ванне расплава, дугообразная граница раздела твердого тела и жидкости на дне ванны плавления постепенно меняется от мелкой к глубокой, как показано на рисунке 23. Gan et al. [60] создали модель многофазного тепло- и массопереноса для прямого лазерного осаждения и использовали метод ALE, основанный на технологии динамической сетки, для отслеживания динамических изменений поверхности ванны расплава, а также рассчитали профиль размера ванны расплава и распределение состава, указывая, что конвекция является основным механизмом массопереноса элементов сплава в ванне расплава.
Таким образом, преимущества и недостатки вышеупомянутых методов отслеживания свободной поверхности жидкости суммированы в Таблице 2.

4 Проверка модели расплавленной ванны лазерной наплавки

При исследовании численного моделирования лазерной наплавки необходимо создать разумную модель численного анализа и проверить ее. Текущая проверка модели осуществляется в основном путем получения данных о температуре ванны расплава, изображения и других сигналов с использованием компьютерной технологии для обработки сигналов и, наконец, сравнения и проверки с данными моделирования температурного поля и поля потока.

4.1 Проверка температурного поля

Обнаружение температуры расплавленной ванны лазерной наплавки делится на контактное и бесконтактное обнаружение [62]. Обычно используемое контактное определение температуры осуществляется в основном посредством измерения температуры термопарой, при этом чувствительный элемент температуры находится в непосредственном контакте с измеряемой целью. Преимуществом является простота эксплуатации и высокая точность обнаружения. Ли Янмин и др. [63] использовали термопары для измерения температуры подложки и в сочетании с численным моделированием для анализа распределения температуры внутри ванны расплава и приблизительно получили изменение температуры ванны расплава. Поскольку температура в центре расплавленной ванны лазерной оболочки слишком высока, чувствительный элемент температуры не может измерить температуру в центре расплавленной ванны, а длительная высокотемпературная рабочая среда значительно сократит срок службы оборудование обнаружения. Таким образом, в настоящее время для определения температуры ванны расплава используется бесконтактное измерение температуры. Бесконтактное измерение температуры расплавленной ванны лазерной оболочки в основном включает монохромное измерение температуры, колориметрическое измерение температуры, а также получение сигнала изображения и измерение температуры с помощью ПЗС-матрицы [64]. Пэн Ченг и др. [65] использовали программное обеспечение ANSYS для моделирования распределения температурного поля в процессе формирования оболочки тонкостенных стенок титанового сплава, а также разработали систему онлайн-определения температуры расплавленной ванны полой кольцевой лазерной оболочки с использованием двухцветного термометра, измерили фактическую температуру и проверили результаты моделирования. Результаты показывают, что по мере того, как слой осаждения накапливается вверх, явление накопления тепла становится более серьезным. Фориен и др. [66] разработали систему обнаружения расплавленной ванны на месте в процессе плавления слоя лазерного порошка с использованием высокотемпературного диодного измерения температуры и технологии высокоскоростной визуализации. Они обнаружили, что изменение сигнала пирометра было связано с областью образования пор, а вероятность образования пор резко возрастала в области перехода высокотемпературного сигнала (5% ~ 95%).

4.2 Проверка поля потока

Проверка поля течения ванны расплава в основном включает два типа: обнаружение на месте и обнаружение вне места. Для обнаружения на месте в основном используется камера CCD или камера CMOS для получения изображения морфологии поверхности ванны расплава в реальном времени во время процесса лазерной наплавки. После обработки изображения оно сравнивается с данными моделирования для проверки. Вирт и др. [67] разработали систему онлайн-сбора изображений с высокоскоростной камеры лазерной наплавки (как показано на рисунке 24) для получения закона течения поверхности расплавленной ванны и скорости движения частиц. В результате анализа установлено, что локальное направление течения ванны расплава зависит от параметров процесса и имеет определенную хаотичность. В большинстве численных моделей предположение о том, что жидкость в ванне расплава имеет ламинарное течение, будет иметь определенное влияние на результаты моделирования. Хуан Цзянькан и др. [68] использовали метод отслеживания частиц в сочетании с системой зеркального отображения ванны расплава для изучения поведения течения на поверхности ванны расплава при сварке TIG. Путем калибровки соотношения отображения между фактической шириной ванны расплава и шириной пикселя видеоданных они рассчитали, что скорость потока на поверхности ванны расплава составляла около 12 мм/с (нержавеющая сталь 304) и 15 мм/с (углерод Q235). сталь). Обнаружение вне места в основном определяет размерный профиль и механические свойства экспериментальных образцов, а затем сравнивает их с данными моделирования для проверки. У Цзячжу [68] изучил механизм передачи теплового потока в процессе прямого лазерного осаждения металла, измерил глубину плавления образца и высоту слоя осаждения, полученные в ходе эксперимента, и сравнил их с данными профиля формы расплавленной ванны, полученными путем моделирования, подтвердив, что модель имеет высокую точность прогнозирования (≥95%).

5 Резюме и перспективы

Моделирование температурного поля и поля течения при лазерной наплавке способствует выявлению металлургических динамических характеристик ванны расплава, но все еще остаются следующие проблемы:

1) При исследовании моделирования поля течения ванны расплава граничные условия не идеальны. Обычно в качестве сил, действующих на жидкость в ванне расплава, учитываются только поверхностное натяжение, сила тяжести и плавучесть ванны расплава, а давление защитного газа и воздействие нерасплавленных частиц порошка на поверхность ванны расплава считаются меньшими. .

2) В процессе изучения изменений температурного поля и поля течения внутри ванны некоторые ученые при построении конечно-элементной модели заранее задают форму плакирующего слоя или предполагают, что сварочная ванна расположена в плоскости. , при этом не учитывается свободная поверхность ванны жидкости/газа, что ограничивает точность этих моделей для анализа движения ванны расплава и границы раздела жидкость/газ, а также исследования механизма течения ванны расплава.

3) Большинство исследований основано на горизонтальных подложках, но детали, нуждающиеся в ремонте, зачастую имеют сложную форму и на негоризонтальных базовых поверхностях. Поэтому лазерная наплавка негоризонтальных базовых поверхностей требует дальнейших исследований.

С учетом вышеизложенных недостатков предлагаются следующие мероприятия по улучшению.

1) Улучшить граничные условия. Давление защитного газа измеряется экспериментально, количественно и добавляется к поверхности ванны расплава в качестве граничного условия.

2) Улучшить численную модель. Моделирование поля течения порошка в сопле лазерной наплавки уже находится на стадии зрелости. Мы можем попытаться объединить модель дискретной фазы, чтобы одновременно добавлять порошковые материалы для формирования плакирующего слоя в процессе моделирования и создать подходящую модель тепло- и массопереноса многофазного потока.

3) Механизм формирования и процесс эволюции плакирующего слоя должны быть проанализированы в сочетании с внутренней силой ванны расплава, а научное объяснение поведения течения и морфологических изменений ванны расплава при переменном положении станет следующим ключевым исследованием. направление.