Укратко су описане силе које делују на растопљени базен ласерске облоге, укључујући површински напон, силу вискозног смицања, гравитацију и притисак заштитног гаса, а механизам формирања слоја облоге је укратко анализиран из перспективе раста ткива и тока растопљеног базена. У исто време, сумирани су закони дистрибуције енергије и једначине различитих модела извора топлоте који се користе у симулацији ласерске облоге, укључујући површински Гаусов извор топлоте, површински прстенасти извор топлоте, Гаусов извор топлоте тела, елипсоидни извор топлоте и комбиновани извор топлоте тела. На основу тога напредују истраживања у нумеричкој симулацији температурног поља и поља струјања ласерска облога топљени базен у земљи и иностранству последњих година је класификован и прегледан, а анализиране су предности и недостаци различитих модела извора топлоте. Сумирају се применљиво окружење различитих извора топлоте и закони дистрибуције добијеног температурног поља и поља струјања. Поред тога, сумиране су методе истраживања површине слободне течности растопљеног базена и сумиране су методе верификације нумеричких симулационих модела температурног поља и поља струјања. Истовремено, с обзиром на проблеме који постоје у нумеричким симулационим истраживањима растопљеног базена ласерске облоге, они су сумирани са аспекта нумеричких модела и граничних услова и на крају је перспективан будући правац развоја.

Ласерско облагање је нови процес за површинску модификацију и поправку материјала. Додаје материјал за облагање на површину супстрата распростирањем или додавањем праха, и користи ласерски зрак високе енергије да брзо топи материјал слоја облоге да би се формирао слој облоге са добрим металуршким везивањем на површини супстрата, чиме се мења састав супстрата. површине и побољшање површинских својстава материјала [1]. Током процеса ласерског облагања, растопљени базен је нестабилан и биће поремећен Марангони протоком, убризгавањем праха, испоруком праха, турбуленцијама у заштитном гасу и променљивим параметрима обраде [2]. Велики број студија је показао да Марангонијева сила изазвана површинским напоном има важан утицај на проток растопљеног базена [3-4], што је такође кључни фактор у одређивању морфологије и разблажења слоја облоге. Понашање протока у растопљеном базену има директан утицај на еволуцију структуре материјала. Динамика флуида и геометријска еволуција течног растопљеног базена су директно повезани са механичким својствима материјала за производњу адитива. Пошто се растопљени базен формира за изузетно кратко време, а величина растопљеног базена је мала, готово је немогуће прецизно пратити тренутну еволуцију растопљеног базена у реалном времену током експеримента. Стога, са развојем рачунарске технологије, нумеричка симулација понашања динамичког протока унутар растопљеног базена путем симулације коначних елемената постала је главна струја. У нумеричкој симулацији растопљеног базена за ласерску облогу, разуман модел извора топлоте је кључ за добијање тачних резултата нумеричке симулације. Генерално, одговарајући модел извора топлоте се успоставља у складу са ласерским извором топлоте који захтевају стварни услови рада. Дужина екстинкције материјала углавном зависи од коефицијента апсорпције материјала на одређену таласну дужину ласера. Према дужини екстинкције материјала до ласера, модел извора топлоте у процесу ласерског облагања може се поделити на површински извор топлоте и извор топлоте тела. Ако ласер делује на површину материјала, енергија ласера ​​опада на 0 након кратке удаљености преноса. Може се претпоставити да се енергија потпуно апсорбује на површини материјала, а апсорпција ласерске енергије матричним материјалом може се назвати површинском апсорпцијом; ако је дубина преноса дубока, чак и премашује дебљину материјала, то се може назвати апсорпцијом тела [5].

Овај рад прво укратко описује механизам формирања растопљеног базена за ласерско облагање, а затим класификује и прегледа напредак истраживања нумеричке симулације растопљеног базена за ласерско облагање према неколико широко коришћених модела извора топлоте, сумира статус истраживања температурног поља растопљеног базена и нумеричког поља протока симулација под различитим изворима топлоте, и коначно се радује проблему симулације растопљеног базена ласерског облагања.

1 Механизам формирања растопљеног базена за ласерско облагање

Током процеса ласерског облагања, густина енергије ласерског улаза је велика. Провођење топлоте и конвекција контролишу физичку еволуцију растопљеног базена и директно одређују температурно поље и дистрибуцију поља протока у растопљеном базену. Растопљени базен ласерске облоге може да постигне равнотежу за врло кратко време, у коме постоји велики температурни градијент и брза циклична конвекција. Фокусирани ласерски зрак се зрачи на металну подлогу, температура подлоге расте и она се топи да би се формирао растопљени базен. Млазница синхроно распршује метални прах у растопљени базен. Течни метал у растопљеном базену конвектира под дејством Марангони напетости. Температура унутар растопљеног базена постепено постаје уједначена. Растлина тече до ивице растопљеног базена, достиже површину растопљеног базена и учвршћује се да би се формирао слој облоге. Сонг и др. [6] анализирали су формирање растопљеног базена, образац унутрашње конвекције и понашање очвршћавања слоја облоге.

Силе у растопљеном базену су сложене. Главна покретачка сила за проток флуида у растопљеном базену је Марангони ток настао балансом између градијента узгона и површинског напона и вискозне силе смицања [7]. Схи Јиањун [8] је анализирао тродимензионалну силу растопљеног базена. Анализа силе растопљеног базена је приказана на слици 1, која углавном укључује површински напон Фγ, силу вискозног смицања Фμ, гравитацију Г и притисак заштитног гаса Фп, а θ је угао скретања подлоге. Под комбинованим дејством површинског напона, гравитације, вискозне силе смицања и притиска заштитног гаса, растопљени метал формира динамички избалансиран растопљени метални базен. Међу њима, површински напон има највећи утицај на растопљени базен, а проток течности у растопљеном базену углавном се покреће Марангони конвекцијом вођеном површинским напоном.

2 Напредак истраживања модела извора топлоте за нумеричку симулацију ласерске облоге

2.1 Површински Гаусов извор топлоте

Тренутно, већина нумеричких симулација ласерске облоге користи Гаусов модел извора топлоте, као што је приказано на слици 2. Ласерска енергија је нормално распоређена у простору, са више у центру а мање на ивици, што је у складу са стварним процесом обраде. Међутим, дистрибуција енергије у правцу дубине растопљеног базена се занемарује, тако да није погодан за услове рада са дубљим растопљеним базеном.

Израз једначине густине топлотног флукса је: Видети формуле (1) и (2) на слици. Где је: к(р) површински топлотни ток на радијусу р, В/м2; Р је растојање од центра тачке, м; ц је коефицијент концентрације топлотног тока, м2; км је максимални топлотни ток у центру извора топлоте, В/м2; П је снага ласера, В; η је стопа коришћења ласера.

Гаусов површински извор топлоте је погодан за услове обраде са малом ширином и дубином растопљеног базена и дебљином слоја облоге. За нумеричку симулацију температурног поља растопљеног базена, Ванг Зхијиан ет ал. [10] је користио Гаусов површински извор топлоте да нумерички симулира процес очвршћавања једнослојног ласерског растопљеног базена ТЦ4 легуре титанијума. Студија је открила да је код ласерске облоге са једним пролазом, због брзог преноса топлоте на репу, топлота на предњем крају растопљеног базена концентрисанија од оне на задњем крају, а дубина растаљења је већа. Са повећањем снаге ласера, дубина растаљеног базена и опсег зоне утицаја топлоте постепено се повећавају због повећања уложене енергије. Пант и др. [11] успоставили су модел мешања растопљеног базена заснованог на методи коначних елемената и проучавали понашање преноса топлоте растопљеног базена током топљења ласерског таложења. Резултати показују да је растопљени базен елиптичан на предњој страни и у облику комете са испруженим репом. Ширина растопљеног базена се повећава са повећањем снаге ласера ​​(као што је приказано на слици 3). Брзина хлађења се повећава са повећањем брзине скенирања, а повећање снаге ласера ​​ће повећати температурни градијент у растопљеном базену, а брзина хлађења ће се повећати у складу с тим.

Поред тога, неки научници су проучавали симулацију тродимензионалне морфологије растопљеног базена под Гаусовим површинским извором топлоте. Фаллах и др. [12] је предложио симулацију пролазног стања модела коначних елемената да би предвидео еволуцију величине и морфологије растопљеног базена током ласерског таложења праха. Резултати су показали да је симулирани предвиђени профил растопљеног базена био близак експерименту,
али није вршена посебна анализа о температурном пољу и пољу протока растопљеног базена. Гао ет ал. [13] успоставио је тродимензионални модел нумеричког предвиђања за обраду у једном пролазу током ласерског облагања. Користећи Гаусов дистрибутивни извор топлоте и на основу методе јединице рођења и смрти, геометријски облик слоја облоге није потребно унапред подешавати. Пролазно температурно поље и геометријска структура слоја облоге израчунавају се истовремено. Добијени облик облоге је у доброј сагласности са експерименталним резултатима, као што је приказано на слици 4. Поред тога, анализирани су и утицај параметара процеса на температурно поље и геометријски облик слоја облоге.

Неки научници ће унапред поставити тродимензионални облик слоја облоге када користе Гаусов површински извор топлоте за симулацију поља протока растопљеног базена. Лиу Хан и др. [14] је успоставио тродимензионални модел заснован на контури стварне величине слоја таложења у нумеричкој симулацији проучавања температурног поља и поља напона у процесу тродимензионалног обликовања ласерског таложења. На основу тога је успостављен модел коначних елемената растопљеног базена синхроног ласерског таложења свиленог праха и добијен је закон дистрибуције поља протока растопљеног базена. На попречном пресеку растопљеног базена формирају се две симетрично распоређене циркулације и генеришу се две радијалне циркулације, једна јака напред и једна слаба позади. Расподела течности на горњој површини растопљеног базена показује закон дифузије од центра ка ивици. Ли ет ал. [15] је успоставио модел спреге са више поља процеса ласерског облагања диска заснован на софтверу ЦОМСОЛ, и израчунао термичка физичка својства материјала коришћењем ЦАЛПХАД методе. Коришћењем Гаусовог површинског извора топлоте, интеракција између ласерског зрака и праха и услови напрезања унутар растопљеног базена су свеобухватно размотрени и добијен је закон промене температурног поља и поља протока током процеса ласерског облагања диска. Растопљени базен је елипсоидан, а највиша температура се јавља у задњем делу центра растопљеног базена. У раној фази облагања, брзина протока растопљеног базена је ниска, а проводљивост топлоте игра главну улогу у преносу енергије у растопљеном базену; како се процес облагања одвија, брзина протока растопљеног метала у растопљеном базену се убрзава, а конвекција топлоте игра главну улогу у овом тренутку, као што је приказано на сликама 5 и 6.

2.2 Површински прстенасти извор топлоте

Површински прстенасти извор топлоте је модел извора топлоте јединствен за нумеричку симулацију шупље прстенасте ласерске облоге. Заснован је на новом процесу облагања шупљим прстенастим ласером „шупљег снопа и убацивања праха у сноп“, који има јединствене предности у односу на традиционалну „чврсту ласерску“ облогу. Његов основни принцип је претварање чврстог снопа у шупљи прстенасти сноп кроз систем конверзије снопа [16-17], тако да се област концентрације дистрибуције енергије мења од центра ка спољној ивици (као што је приказано на слици 7), што може елиминисати феномен непотпуног топљења на ивици растаљеног канала изазваног Гаусовим чврстим ласерским омотачем и побољшати недостатак лошег металуршког везивања [18].

Расподела енергије у њеном прстенастом подручју је такође као Гаусова расподела, а функција расподеле енергије је: Види формулу (3) на слици. Где је: Р0 спољни пречник ласера ​​у фокусној позицији, мм; з је дефокус, мм; φ је угао између шупљег ласерског зрака и хоризонталног правца; ξ је коефицијент положаја врха енергије.

Тиан Меилинг и др. [18] је користио софтвер за анализу коначних елемената АНСИС за симулацију температурног поља прстенастог шупљег ласерског растопљеног базена и спровео теоријску анализу тродимензионалне дистрибуције поља струјања. Поље протока растопљеног базена шупље ласерске облоге показало је симетричну расподелу протока са четири прстена, као што је приказано на слици 8. Схи Гаолиан [20] је користио софтвер коначних елемената АНСИС и на основу модела површинског шупљег прстенастог извора топлоте за симулацију пролазне температуре поље растопљеног базена 45 челичне облоге легуре Фе313, и добијен је закон еволуције температурног поља шупљег растопљеног базена ласерске облоге. Због ефекта акумулације топлоте током процеса облагања, температура у растопљеном базену се постепено повећава са повећањем времена и висине скенирања. Облик, положај и расподела густине енергије растопљеног базена и квалитет формираног дела значајно ће се променити са променом радног циклуса. Ли Гуангћи и др. [21] симулирао је оптерећење ласера ​​са шупљим прстеном на основу софтвера АНСИС користећи АПДЛ језик у комбинацији са методом јединице рођења и смрти и добио закон расподеле температурног поља слоја облоге. Укупна дистрибуција температурног поља током процеса облагања била је „у облику комете“. У почетној фази скенирања, тачка је показала комплетан облик прстена са истом теоретском дистрибуцијом енергије. Како је процес скенирања напредовао, високотемпературно подручје се померало уназад као целина, постепено еволуирајући од облика прстена до облика седла, као што је приказано на слици 9. Ово потврђује карактеристике ласерске енергије шупљег прстена „ниске у средини а високо на ивици”. Поред тога, површински слој температурног поља обложног слоја показао је „облик дубоке долине“, са високим са обе стране и ниским у средини, а у правцу дубине обложног слоја температура је постепено опадала са повећањем дубине. , као што је приказано на слици 10.

2.3 Гаусов извор топлоте тела

У стварном процесу ласерског облагања, ласерски сноп се креће одређеном брзином, а расподела енергије није равномерна, посебно дистрибуција енергије извора светлости окомито на правац скенирања је сасвим другачија, а модел површинског извора топлоте не може да продре у растопљени базен. Стога је настао извор телесне топлоте. Ласерска енергија извора топлоте тела не само да се таложи на површини слоја праха, већ може да продре и у унутрашњост слоја облоге, што побољшава тачност прорачуна прелазног температурног поља или поља протока растопљеног базена [ 22]. Неки научници су успоставили ротирајући извор топлоте Гаусовог тела на основу модела Гаусовог површинског извора топлоте, као што је приказано на слици 11. Ротирајуће Гаусово површинско тело се формира ротацијом Гаусове криве око своје осе симетрије. Под претпоставком да је енергија извора топлоте сва распоређена унутар овог површинског тела, густина топлотног флукса у попречном пресеку је Гаусова расподела.

Функција расподеле енергије је: видети формуле (4) и (5) на слици. Где је: е природна база; Р0 је полупречник отвора извора топлоте; Х је висина извора топлоте; К је снага извора топлоте.

Гаусов извор топлоте је најчешће коришћени модел извора топлоте за нумеричку симулацију растопљеног базена ласерске облоге. Зханг Керонг и др. [24] је нумерички симулирао прелазни процес ласерског заваривања дубоким топљењем кључаонице ТЦ4 легуре титанијума на основу ротирајућег Гаусовог модела извора топлоте запремине и даље анализирао утицај различитих параметара процеса на морфологију кључаонице у комбинацији са експериментима. Студија је показала да се са повећањем густине ласерске енергије, повећањем снаге ласера ​​или смањењем пречника тачке повећава дубина кључаонице, а величина постаје шира. Пречник тачке је процесни параметар са највећим утицајем на морфологију кључаонице. Сун ет ал. [25] симулирао је честице праха ласерског усмереног таложења енергије на основу флуентног софтвера користећи модел дискретне фазе, и анализирао морфологију слоја таложења праха и дистрибуцију поља температуре и брзине у комбинацији са Гаусовим моделом извора топлоте. Резултати показују да је код директног таложења ласерске енергије велике брзине, брзина протока наниже у области деловања праха је доминантна због притиска изазваног уносом праха, као што је приказано на слици 12.

У нумеричкој симулацији морфологије растопљеног базена на основу Гаусовог извора топлоте. Цхаи ет ал. [26] успоставили су нумерички модел ласерске облоге на косој подлози на основу методе ћелијског аутомата и симулирали утицај различитих углова нагиба на релативну површину попречног пресека, ширину, висину и помак врха слоја облоге, као што је приказано у Слика 13. Резултати показују да се релативна површина попречног пресека прво повећава, затим смањује, а затим тежи да буде стабилна са повећањем угла нагиба подлоге; ширина слоја облоге се повећава са повећањем угла нагиба, а висина се прво повећава, а затим смањује; са повећањем угла нагиба подлоге, гравитациона компонента обложног слоја постаје све већа, а помак темена се постепено повећава.

2.4 Елипсоидни извор топлоте

Дистрибуција енергије у растопљеном базену у ласерској облоги често није тродимензионално Гаусово ротационо тело. Да би се прецизније симулирала величина и облик растопљеног базена, предложен је елипсоидни дистрибутивни извор топлоте тела. Постоје два типа елипсоидних извора топлоте: један елипсоидни извор топлоте са симетријом напред-назад и двоструки елипсоидни извор топлоте са различитом дистрибуцијом енергије напред-назад. У првим данима, неки научници су предложили хемисферични извор топлоте [27], а његова функција расподеле енергије је: видети формулу (6) на слици. Где је: к(к,и,з) густина топлотног флукса тачке (к,и,з) на координатном систему; ц је полупречник сфере; К је брзина уноса топлоте.

Према великом броју експерименталних запажања, стварни извор топлоте није симетрично распоређен напред и назад. Стога су истраживачи предложили двоструки елипсоидни извор топлоте (као што је приказано на слици 14), при чему су предњи и задњи део два 1/4 елипсоида.

Његове предње и задње функције расподеле енергије су: Видети формулу (7) на слици. Где су: кф и кр расподела топлотног флукса у предњој и задњој половини елипсоида; аф и ар су полуосе предњег и задњег полуелипсоида; бх и цх су друге две полуосе предњег и задњег полуелипсоида, респективно, а две кратке полуосе два елипсоида су једнаке; фф и фр су удели топлоте у предњој и задњој половини елипсоида, респективно, и фф + фр = 1.

Због велике величине растопљеног базена који генерише елипсоидни извор топлоте, широко се користи у нумеричкој симулацији процеса ласерске обраде као што је ласерско заваривање [29-30] и унапред подешено ласерско облагање. Хоцине ет ал. [31] анализирали су разлике између три модела извора топлоте (елипсоидни извор топлоте, двоструки елипсоидни извор топлоте и цилиндрични извор топлоте) у симулацији еволуције температурног поља и контуре растопљеног базена у селективном ласерском топљењу. Резултати су показали да три модела извора топлоте имају своје јединствене предности у израчунавању температурног поља и контуре растопљеног базена. Цилиндрични извор топлоте је погодан за израчунавање температурног поља растопљеног базена, док елипсоидни извор топлоте има већу тачност у прорачуну контуре растопљеног базена. Луо Ксинлеи и др. [32] је користио АНСИС АПДЛ за симулацију температурног поља једноканалног селективног ласерског топљења и упоредио резултате симулације под Гаусовим површинским извором топлоте и двоструким елипсоидним извором топлоте. Резултати показују да се двоструки елипсоидни извор топлоте боље слаже са експерименталним резултатима од Гаусовог површинског извора топлоте јер је његова дистрибуција енергије ближа стварном ласерском извору топлоте. У процесу селективног ласерског топљења, без промене густине ласерске улазне енергије, повећање снаге ласера ​​и брзине скенирања ће значајно повећати дубину и ширину растопљеног базена, као што је приказано на слици 15.

Неки научници су такође спровели детаљна истраживања о променама температурног поља у растопљеном базену под различитим параметрима процеса. Хао Ксиаојие [33] је користио АБАКУС софтвер за анализу варијације температурног поља током селективног ласерског топљења. Користио је двоструки елипсоидни извор топлоте, који је распоређивао улазну енергију ласера ​​у одређеној запремини и применио је на чворове модела материјала у виду густине топлотног флукса. Проучавао је утицај различитих параметара процеса на температурно поље током ласерског топљења. Када се повећа само снага ласера, просечна брзина грејања и хлађења у растопљеном базену и величина растопљеног базена се повећавају у складу са тим; када се повећава само брзина скенирања, просечна брзина загревања и брзина хлађења у растопљеном базену се стално повећавају, док се величина растопљеног базена релативно смањује; размак скенирања утиче на ефекат поновног топљења између канала растопа, док дебљина праха утиче на ефекат везивања између слојева скенирања.

2.5 Комбиновани извор топлоте

Извор топлоте са једном запреминском дистрибуцијом поједностављује закон дистрибуције извора топлоте у правцу дубине растопљеног базена и не разликује разлику у дистрибуцији ласерске енергије на површини и унутар растопљеног базена [34]. Стога су изведени комбиновани извори топлоте, као што су сегментирани извор топлоте тела, комбиновани извор топлоте са двоструким елипсоидним конусом и комбиновани извор топлоте који комбинује Гаусов површински извор топлоте и извор топлоте тела. Комбиновани извор топлоте комбинује предности површинског извора топлоте и извора топлоте тела, више је у складу са стварним условима рада и има већу тачност симулације. У комбинованом извору топлоте, површински извор топлоте је генерално површински извор топлоте за расподелу Гаусовог топлотног флукса, а извор топлоте тела је генерално линеарно ослабљени извор топлоте Гаусовог цилиндра или ротирајући извор топлоте тела са опадајућим топлотним флуксом [35].

Цаи Хаипенг и др. [36] побољшао је извор топлоте заваривања на основу покретног Гаусовог извора топлоте, успоставио сегментирани модел извора топлоте, користио грубе решетке и одговарајућу сегментацију извора топлоте за израчунавање проблема деформације заваривања и комбиновао локалну рафинирану технологију мреже за симулацију еволуција стреса. Ванг Кибинг и др. [37] је користио комбиновани извор топлоте који комбинује горњи део двоструког елипсоидног извора топлоте и доњи део Гаусовог ротирајућег извора топлоте тела да симулира топлоту и струјање растопљеног базена током ласер-МИГ хибридног заваривања инвар челика. Резултати су показали да је расподела температурног поља растопљеног базена симулирана комбинованим извором топлоте у основи била у складу са стварним експерименталним резултатима. Ксие Иинкаи и др. [38] је успоставио комбиновани извор топлоте параболичног ротационог извора топлоте тела (доња половина) и цилиндричног извора топлоте (горња половина) (као што је приказано на слици 16) да би симулирао специфичне поремећаје величине растопљеног базена, тока растопљене масе и гаса -интерфејс без течности током ласерског селективног топљења. Код облагања са једним пролазом, брзина скенирања и дебљина слоја праха доминирају факторима формирања пора. За облагање са више пролаза, фактори који утичу на формирање пора су углавном размак скенирања, а број пора се повећава са повећањем размака скенирања.

Ванг Јивен и др. [39] је успоставио тродимензионални симетрични нумерички модел за пролазно кретање и пренос топлоте и масе растопљеног базена заснован на софтверу Флуент. Користећи тродимензионални хемисферични Гаусов извор топлоте, анализиран је процес еволуције и понашање течности у растопљеном базену течност/гас под различитим параметрима процеса и успостављена је веза између протока, температуре и величине растопљеног базена и квалитета површине, као што је приказано. на сликама 17 и 18, респективно. Резултати показују да је морфологија једнопролазног слоја оплате добијеног експериментом и симулацијом слична. Након што се формира стабилан растопљени базен, течност у растопљеном базену тече из области високе температуре у област ниске температуре у радијалном облику, а брзина протока се постепено повећава од средине ка споља. Камера прати проток шљаке у реалном времену и смер протока симулираног поља протока је конзистентан.

2.6 Остали модели извора топлоте

Са даљим развојем рачунарске технологије, неки научници су додатно оптимизовали постојећи модел извора топлоте према стварним условима рада и успоставили нови модел извора топлоте. Поред тога, нумеричке симулације под неким посебним условима обраде могу се постићи и кроз специфичне моделе извора топлоте, као што су модел извора топлоте широкопојасног ласерског снопа, модел извора топлоте са шупљим прстеном итд.

Леи Дингзхонг и др. [40] користио је софтвер ТрацеПро за симулацију и анализу путање светлости и дистрибуције фокусираног спот светлосног флукса В формираног од млазнице за широкопојасну ласерску облогу са убацивањем праха у светлост и успоставио тродимензионални математички модел широкопојасног шупљег прстена ласер на површини огледала. Тсенг ет ал. [41] је предложио модел ласерског извора топлоте заснован на софтверу СИСВЕЛД, свеобухватно анализирао утицај карактеристика ласерског зрака и параметара процеса на температурно поље и облик слоја облоге и дизајнирао нумерички модел за експерименталну верификацију ласерске облоге, који може применити на нумеричку симулацију других процеса ласерске обраде. Лиу ет ал. [42] је успоставио модел извора топлоте широкопојасног ласерског снопа, а његова функција расподеле енергије је: видети формулу (8) на слици.
Где: И0=αβП/(вд). α је коефицијент апсорпције ласера, α=0.75; β је енергетска ефикасност, β=0.98; П је снага ласера; д је ширина широкопојасне ласерске тачке, д=1.5 мм; в је дужина широкопојасне ласерске тачке, в=15 мм. Лиу ет ал. [42] проучавао је температурно поље и поље напона једнопролазног слоја облоге у широком ласерском омотачу, где је дистрибуција температурног поља приказана на слици 19. У комбинацији са подацима о температури, дужина, ширина и дубина растопљеног базен су израчунати. У исто време, разматрани су ефекти параметара процеса као што су снага ласера ​​и брзина скенирања на величину растопљеног базена, температурни градијент, брзину хлађења и брзину очвршћавања. Поред тога, проучавана је и расподела поља термичког напрезања слоја облоге у различитим правцима и на различитим путањама.

Фенг Иики [43] је успоставио модел механике селективног ласерског топљења растопљеног базена. На основу карактеристика слабљења енергије ласера ​​унутар слоја праха, у симулацији је коришћен извор топлоте тела за слабљење интензитета ласера: видети формулу (9) на слици.
Резултати симулације модела распростирања праха увезени су у модел механике течности растопљеног базена да би се предвидело понашање течења у растопљеном базену, а урађена је дубинска анализа односа између понашања протока, рупа и ефекта сфероидизације растопљеног раствора. базен у вишепролазној облоги. Резултати показују да доња површина адитива има гушћу дистрибуцију праха од равне површине дна. Због велике несигурности тока базена талине, феномен сфероидизације се углавном јавља на доњој површини адитивног материјала, а нестопљене рупе се углавном производе на грлу канала растопљене између више слојева облоге, као што је приказано на слици 20.

Сонг и др. [44] свеобухватно је разматрао ефекат слабљења интеракције између млаза праха и ласера ​​и ефекат хладњака неотопљених честица праха које улазе у растопљени базен. На основу ЦОМСОЛ софтвера, успостављен је модел извора топлоте за симулацију тока растопа и површинског напона на интерфејсу гас-течност. Температурно поље и дистрибуција поља струјања приказани су на слици 21. Истовремено је предвиђена закривљеност слободне површине растопљеног базена и величина слоја облоге. У три различита смера попречног пресека, симулирани смер температурног градијента је у складу са смером раста зрна. Експериментална провера ширине слоја облоге, висине и дубине растопљеног базена показује да је под параметрима процеса, с обзиром на утицај различитих ласерских снага, брзина ласерског скенирања и брзине уношења праха, максимална грешка између резултата симулације и експерименталних резултата 10%.

Ксу Јиацхао ет ал. [45] је успоставио тродимензионални математички модел ласерског извора топлоте шупљег прстена комбиновањем идеје геометријског тела обртања и добио његову математичку аналитичку формулу на следећи начин: видети формулу (10) на слици.

Где је: ф1 коефицијент конверзије енергије, ф1≤1; К је улазна снага топлоте, В; μ је позиција енергетског врха, која се обично налази у центру области прстена, односно μ=(Р+р)/2; а је 1/2 ширине прстена, односно (Рр)/2; Р и р су спољни пречник и унутрашњи пречник прстенасте тачке, мм; ц је дубина извора светлости, мм. Релевантни параметри модела извора топлоте су одређени експериментално, а модел је учитаван на основу ЦОМСОЛ софтвера за симулацију дистрибуције прелазног температурног поља и криве термичког циклуса прстенастог ласерског омотача. Температурни врх и долина врха се смањују, односно повећавају због акумулације топлоте и провођења топлоте. Како се висина слоја повећава, површина пораста температуре депонованог слоја постаје равна.

Укратко, применљива окружења неколико широко коришћених модела ласерских извора топлоте сумирана су у табели 1. У симулацији температурног поља, трендови расподеле температурног поља добијени различитим моделима су слични, сви у облику елиптичних комета, а главна разлика је различита подручја високе температуре; у симулацији поља протока, укупна дистрибуција поља протока растопљеног базена добијена различитим моделима извора топлоте је слична, а подручје велике брзине је такође концентрисано у центру растопљеног базена. Главна разлика је у томе што је величина растопљеног базена различита, а модел извора топлоте са више дисперговане дистрибуције енергије добија мању дубину и ширину топљења. Пошто су параметри процеса сложени у стварном процесу облагања, табела 1 је само за референцу, а модел извора топлоте треба разумно одабрати у складу са стварним експерименталним условима.

3 Напредак истраживања површине слободне течности у нумеричкој симулацији ласерске облоге

У процесу ласерског облагања, слободна течна површина растопљеног базена је у директном контакту са ваздухом, на који углавном утиче површински напон и директно одређује профил величине слоја облоге. Тренутно, главне методе за проучавање слободне површине растопљеног базена укључују методу постављања нивоа засновану на фиксним мрежама, методу запремине течности, методу спојеног скупа нивоа и методу запремине течности, методу фазног поља и Произвољна Лагранж-Ојлерова метода заснована на покретним мрежама.

3.1 Метод постављања нивоа

Метода скупа нивоа (ЛС), позната и као метода функције исосурфаце[49], користи функцију поља удаљености да опише динамички интерфејс. Метода Левел Сет је првобитно била предложена за проучавање интерфејса вишефазног тока, а сада се такође користи у препознавању слика, реконструкцији интерфејса и другим пољима. Лиу ет ал.[50] користио је методу Левел Сет за праћење слободне површине растопљеног метала у селективном ласерском топљењу и открио да је нестабилна сметња изазвана променом површинског напона изазвала локална удубљења на површини растопљеног базена, чиме је утицала на храпавост површине облоге слој након формирања. Међутим, нумеричка дисипација ЛС методе је релативно озбиљна током прорачуна, што је склоно проблемима масовног неочувања.

3.2 Метода запремине течности

Метода запремине течности (ВОФ) описује слободни интерфејс дефинисањем функције запреминског удела и реконструише интерфејс решавањем запреминског удела у једној мрежи. ВОФ метода има бољу конзервацију масе од ЛС методе. Ие Цхен [51] је симулирао и предвидео профил величине слоја облоге ласерске облоге на основу ВОФ методе и верификовао резултате симулације ортогоналним експериментима. Резултати поређења три групе података, односно висина топљења, дубина топљења и брзина разблажења, показали су одступање у границама од 10%, што је доказало тачност нумеричког модела. Међутим, тачност слободног интерфејса конструисаног ВОФ методом није довољно висока, а проток у нормалном правцу интерфејса не може се прецизно пратити [52]. Вен Баокиан ет ал. [53] успоставили су модел извора топлоте тела дистрибуције ласерске енергије у слоју праха на основу закона простирања светлосног снопа у прашкастом медију на основу флуент софтвера, и модификовали класичну ВОФ методу, и предложили ВОФ метод који може да се користи за симулацију феномена колапса након топљења праха. Резултати прорачуна показују да ће промена запремине слоја праха утицати на температурно поље и поље брзине растопљеног базена и његове околине, као и на коначну морфологију радног предмета.

3.3 Метода постављања спојеног нивоа и метода запремине течности

Метода Цоуплед Левел-сет са ВОФ (ЦЛСВОФ) комбинује предности ЛС методе и ВОФ методе и има добру тачност реконструкције интерфејса и очување масе. Веи ет ал. [54] комбиновао је ЛС методу и ВОФ метод да би предложио модел спрегнутог вишефазног тока за проучавање преноса топлоте и масе током ласерског таложења вруће жице и протока слободне површине. Модел може да ухвати суптилне флуктуације на интерфејсу гас/течност од само око 0.03 мм. Ванг Ксиангиу и др. [55] је користио ЦЛСВОФ методу за предвиђање промене површине слободне течности у растопљеном базену, анализирао пренос масе унутар растопљеног базена и предложио модел вишефазног тока за симулацију микротока ласерске облоге хетерогених материјала. Одступања између експеримента и симулације била су унутар 9%. Поред тога, у области селективног ласерског топљења, Тхорстен Хеелинг ет ал. [56] успоставио је нумерички симулациони модел растопљеног базена на основу ЦЛСВОФ методе. Анализом величине растопљеног базена добијеног симулацијом и експериментом, утврђено је да се одступање дубине растопљеног базена повећава са повећањем брзине скенирања, док се одступање величине попречног пресека смањује са повећањем брзине скенирања.

3.4 Метода фазног поља

Метода фазног поља (ПФ) заснива се на Гинзбург-Ландау теорији и решава прелазне промене интерфејса кроз диференцијалне једначине [57]. За разлику од ВОФ методе, не захтева реконструкцију интерфејса. У поређењу са ЛС методом, не захтева досадну иницијализацију функције удаљености. Количина прорачуна је релативно мала и има јединствене предности у решавању проблема са површином слободне течности са мањим размерама или високом осетљивошћу на површински напон. Јин ет ал. [58] успоставили су дводимензионални нумерички симулациони модел топљења слоја ласерског праха на основу методе фазног поља и открили да ће Марангони ефекат изазвати стварање мехурића у растопљеном базену. Процес поновног топљења и повећање снаге ласера ​​могу помоћи у уклањању пора, као што је приказано на слици 22.

3.5 Произвољне Лагранжијеве и Ојлерове методе

Произвољна Лагранж-Еулерова (АЛЕ) метода прати динамички интерфејс кроз функцију кретања интерфејса. Комбинује предности две методе описа, Лагранжијана и Еулеријана, и има очигледне предности у решавању проблема високе прецизности слободне површине течности и течности-чврстог споја. На основу АЛЕ методе, Тиан ет ал. [59] је користио софтвер ЦОМСОЛ за успостављање модела коначних елемената преноса топлоте и протока флуида који садржи више физичких параметара и истраживао утицај различитих параметара процеса на брзину разблаживања и геометрију растопљеног базена. Резултати показују да је у одређеном опсегу брзина разблажења линеарно повезана са релативним односом енергије и масе. Поред тога, са повећањем релативног односа енергије и масе, праћеног протоком течности у растопљеном базену, интерфејс чврстог и течног облика у облику лука на дну растопљеног базена постепено се мења из плитког у дубок, као што је приказано на слици 23. Ган ет ал. [60] успоставили су вишефазни модел преноса топлоте и масе за ласерско директно таложење и користили АЛЕ методу засновану на технологији динамичке мреже за праћење динамичких промена површине растопљеног базена и израчунали профил величине растопљеног базена и дистрибуцију састава, што указује да конвекција је главни механизам преноса масе елемената легуре у растопљеном базену.
Укратко, предности и недостаци горњих метода праћења површине слободне течности су сумирани у табели 2.

4 Верификација симулационог модела растопљеног базена ласерске облоге

У проучавању нумеричке симулације ласерске облоге потребно је успоставити разуман модел нумеричке анализе и верификовати модел. Тренутна верификација модела је углавном кроз аквизицију температуре растопљеног базена, слике и других сигнала, коришћењем компјутерске технологије за обраду сигнала, и коначно упоређивањем и верификацијом са подацима симулације температурног поља и поља протока.

4.1 Верификација поља температуре

Детекција температуре растопљеног базена ласерске облоге је подељена на детекцију контакта и детекцију без контакта [62]. Уобичајено коришћена контактна детекција температуре је углавном мерењем температуре термоелементом, а сензор температуре је у директном контакту са метом која се мери. Предност је једноставно руковање и висока тачност детекције. Ли Ианмин и др. [63] је користио термопарове за мерење температуре супстрата и у комбинацији са нумеричком симулацијом анализирао расподелу температуре унутар растопљеног базена и приближно добио промену температуре у растопљеном базену. Пошто је температура у центру растопљеног базена за ласерску облогу превисока, елемент за детекцију температуре не може да мери температуру у центру растопљеног базена, а дуготрајно радно окружење високе температуре ће у великој мери смањити животни век уређаја. опрема за детекцију. Стога, тренутна главна детекција температуре растопљеног базена усваја бесконтактно мерење температуре. Бесконтактно мерење температуре растопљеног базена ласерске облоге углавном укључује монохромно мерење температуре, колориметријско мерење температуре и аквизицију сигнала слике и мерење температуре преко ЦЦД-а [64]. Пенг Цхенг и др. [65] користио је софтвер АНСИС да симулира расподелу температурног поља током процеса формирања облоге танког зида од легуре титанијума и дизајнирао систем за онлајн детекцију температуре растопљеног базена са шупљим прстеном ласерске облоге користећи двобојни термометар, измерио стварну температуру и верификовао резултате симулације. Резултати показују да како се слој таложења акумулира према горе, феномен акумулације топлоте постаје озбиљнији. Фориен ет ал. [66] дизајнирао је систем за детекцију на лицу места за растопљени базен у процесу топљења слоја ласерског праха користећи високотемпературно мерење температуре диода и технологију снимања велике брзине. Открили су да је промена у сигналу пирометра повезана са подручјем формирања пора, а вероватноћа формирања пора нагло се повећала у подручју прелаза сигнала високе температуре (5% ~ 95%).

4.2 Верификација поља протока

Верификација поља протока растопљеног базена углавном укључује два типа: детекцију на лицу места и детекцију која није на лицу места. Детекција на лицу места углавном користи ЦЦД камеру или ЦМОС камеру за добијање слике морфологије површине растопљеног базена у реалном времену током процеса ласерског облагања. Након обраде слике, она се упоређује са подацима симулације ради верификације. Виртх ет ал. [67] дизајнирао је систем за онлајн аквизицију слике брзе камере са ласерском облогом (као што је приказано на слици 24) да би добио закон протока површине растопљеног базена и брзину кретања честица. Анализом је утврђено да на локални правац тока растопљеног базена утичу параметри процеса и да има одређену насумичност. У већини нумеричких симулација, претпоставка да је флуид у растопљеном базену ламинарни ток ће имати одређени утицај на резултате симулације. Хуанг Јианканг и др. [68] је користио метод праћења честица у комбинацији са системом за снимање у огледалу растопљеног базена за проучавање понашања протока површине растопљеног базена за заваривање ТИГ-ом. Калибрацијом односа мапирања између стварне ширине растопљеног базена и ширине пиксела видео података, израчунали су да је брзина протока површине растопљеног базена била око 12 мм/с (304 нерђајући челик) и 15 мм/с (К235 угљеник челик). Детекција која није на лицу места углавном детектује профил величине и механичка својства експерименталних узорака, а затим их упоређује са подацима симулације ради верификације. Ву Јиазху [68] је проучавао механизам преноса топлотног тока процеса ласерског директног таложења метала, измерио дубину топљења узорка и висину слоја таложења добијене експериментом и упоредио их са подацима о профилу облика растопљеног базена добијеним симулацијом, потврђујући да модел има високу тачност предвиђања (≥95%).

5 Резиме и Оутлоок

Симулација температурног поља и поља протока ласерске облоге погодује откривању металуршких динамичких карактеристика растопљеног базена, али још увек постоје следећи проблеми:

1) У проучавању симулације поља струјања растопљеног базена, гранични услови нису савршени. Генерално, само површински напон, гравитација и узгона растопљеног базена узимају се у обзир за силе на течност у растопљеном базену, а притисак заштитног гаса и утицај неотопљених честица праха на површину растопљеног базена се сматрају мањим. .

2) У процесу проучавања промена у температурном пољу и пољу протока унутар растопљеног базена, неки научници ће унапред одредити облик слоја облоге или ће претпоставити да се растопљени базен налази у равни када успостављају модел коначних елемената. , при чему се занемарује слободна површина течности/гаса растопљеног базена, што ограничава тачност ових модела за анализу кретања растопљеног базена и интерфејса течност/гас, као и проучавање механизма струјања растопљеног базена.

3) Већина студија се заснива на хоризонталним подлогама, али делови које треба поправити су често сложеног облика и на нехоризонталним основним површинама. Стога, ласерско облагање нехоризонталних основних површина захтева даље истраживање.

С обзиром на горе наведене недостатке, предлажу се следеће мере побољшања.

1) Побољшати граничне услове. Притисак заштитног гаса се експериментално мери, квантификује и додаје на површину растопљеног базена као гранични услов.

2) Побољшати нумерички модел. Симулационо истраживање поља струјања праха млазнице за ласерску облогу је већ веома зрело. Можемо покушати да комбинујемо модел дискретне фазе да бисмо истовремено додали прашкасте материјале за формирање слоја облоге током процеса симулације и успоставили одговарајући модел вишефазног протока топлоте и масе.

3) Механизам формирања и процес еволуције обложног слоја треба анализирати у комбинацији са унутрашњом силом растопљеног базена, а следеће кључно истраживање биће научно објашњење понашања течења и морфолошких промена растопљеног базена под променљивим положајем. правац.