Gaya anu nimpah kolam renang molten cladding laser dijelaskeun sakedap, kalebet tegangan permukaan, gaya geser kentel, gravitasi, sareng tekanan gas pelindung, sareng mékanisme formasi lapisan cladding dianalisis sakedap tina sudut pandang pertumbuhan jaringan sareng aliran kolam renang molten. Dina waktos anu sami, hukum distribusi énérgi sareng persamaan model sumber panas anu béda anu dianggo dina simulasi laser cladding diringkeskeun, kalebet sumber panas Gaussian permukaan, sumber panas annular permukaan, sumber panas awak Gaussian, sumber panas ellipsoidal, sareng sumber panas awak gabungan. Dina dasar ieu, kamajuan panalungtikan dina simulasi numeris widang hawa sarta widang aliran tina cladding laser kolam renang molten di bumi sareng di luar negeri dina taun-taun ayeuna digolongkeun sareng diulas, sareng kauntungan sareng kalemahan tina sababaraha model sumber panas dianalisis. Lingkungan anu lumaku pikeun sumber panas anu béda sareng hukum distribusi médan suhu sareng médan aliran diringkeskeun. Salaku tambahan, metode panalungtikan ngeunaan permukaan cair bébas tina kolam renang molten diringkeskeun, sareng metode verifikasi model simulasi numerik tina médan suhu sareng médan aliran diringkeskeun. Dina waktu nu sarua, dina panempoan masalah aya dina panalungtikan simulasi numeris tina kolam renang molten cladding laser, aranjeunna diringkeskeun tina aspék model numeris jeung kaayaan wates, sarta tungtungna arah ngembangkeun hareup prospekted.

Cladding laser mangrupikeun prosés énggal pikeun modifikasi permukaan sareng perbaikan bahan. Éta nambihan bahan cladding kana permukaan substrat ku cara nyebarkeun atanapi nyoco bubuk, sareng nganggo sinar laser énergi tinggi pikeun gancang ngalembereh bahan lapisan cladding pikeun ngabentuk lapisan cladding kalayan beungkeutan metalurgi anu saé dina permukaan substrat, ku kituna ngarobih komposisi substrat. permukaan sareng ningkatkeun sipat permukaan bahan [1]. Salila prosés cladding laser, kolam renang molten henteu ajeg tur bakal kaganggu ku aliran Marangoni, bubuk suntik, pangiriman bubuk, turbulensi dina gas shielding, sarta parameter processing variabel [2]. A angka nu gede ngarupakeun studi geus ditémbongkeun yén gaya Marangoni disetir ku tegangan permukaan boga pangaruh penting dina aliran kolam renang molten [3-4], nu oge faktor konci dina nangtukeun morfologi jeung éncér lapisan cladding. Paripolah aliran dina kolam renang molten gaduh dampak langsung kana évolusi struktur bahan. Dinamika cairan sareng évolusi géométri tina kolam renang cair cair langsung aya hubunganana sareng sipat mékanis tina bahan manufaktur aditif. Kusabab kolam renang molten kabentuk dina waktu anu pohara pondok tur ukuranana kolam renang molten leutik, ampir teu mungkin keur akurat ngawas évolusi sakedapan tina kolam renang molten sacara real waktu salila percobaan. Ku alatan éta, ku ngembangkeun teknologi komputer, simulasi numeris tina kabiasaan aliran dinamis jero kolam renang molten ngaliwatan simulasi unsur terhingga geus jadi mainstream nu. Dina simulasi numeris of laser cladding kolam renang molten, model sumber panas lumrah mangrupakeun konci pikeun ménta hasil simulasi numeris akurat. Sacara umum, modél sumber panas anu saluyu didirikeun dumasar kana sumber panas laser anu diperyogikeun ku kaayaan kerja anu saleresna. Panjang punah bahan utamana gumantung kana koefisien nyerep bahan ka panjang gelombang laser husus. Numutkeun panjang punah tina bahan pikeun laser, modél sumber panas dina prosés cladding laser bisa dibagi kana sumber panas permukaan jeung sumber panas awak. Lamun laser meta dina beungeut bahan, énergi laser decays ka 0 sanggeus jarak pondok tina transmisi. Ieu bisa dianggap yén énergi sagemblengna kaserep dina beungeut bahan, sarta nyerep énergi laser ku bahan matrix bisa disebut nyerep permukaan; lamun jero transmisi jero, sanajan ngaleuwihan ketebalan bahan, bisa disebut nyerep awak [5].

makalah ieu mimiti sakeudeung ngajelaskeun mékanisme formasi laser cladding kolam renang molten, lajeng mengklasifikasikan sarta ulasan kamajuan panalungtikan laser cladding molten kolam renang simulasi numeris handapeun sababaraha model sumber panas loba dipaké, summarizes status panalungtikan molten widang hawa kolam renang jeung widang aliran numeris. simulasi dina sumber panas béda, sarta tungtungna kasampak maju ka masalah simulasi kolam renang molten of cladding laser.

1 Mékanisme formasi laser cladding kolam renang molten

Salila prosés cladding laser, kapadetan énergi input laser luhur. Konduksi panas sarta convection ngadalikeun évolusi fisik kolam renang molten tur langsung nangtukeun médan hawa sarta sebaran widang aliran dina kolam renang molten. The laser cladding kolam renang molten bisa ngahontal kasatimbangan dina waktu anu pohara pondok, nu aya gradién hawa badag sarta convection siklik gancang. Beam laser fokus ieu irradiated onto substrat logam, hawa substrat naék, sarta eta lebur ngabentuk kolam renang molten. nozzle nu sprays bubuk logam kana kolam renang molten synchronously. Logam cair dina kolam renang molten convects handapeun aksi tegangan Marangoni. Suhu di jero kolam renang molten laun-laun jadi seragam. Ngalembereh ngalir ka tepi kolam renang molten, ngahontal beungeut kolam renang molten, sarta solidifies pikeun ngabentuk lapisan cladding. Song et al. [6] dianalisis formasi kolam renang molten, pola convection internal, sarta kabiasaan solidification tina lapisan cladding.

Gaya dina kolam renang molten kompléks. Gaya panggerak utama pikeun aliran cairan dina kolam renang molten nyaéta aliran Marangoni dihasilkeun ku kasaimbangan antara buoyancy jeung tegangan permukaan gradién jeung gaya geser kentel [7]. Shi Jianjun [8] nganalisis gaya tilu diménsi tina kolam renang molten. Analisis gaya kolam renang molten ditémbongkeun dina Gambar 1, nu utamana ngawengku tegangan permukaan Fγ, gaya geser kentel Fμ, gravitasi G jeung shielding tekanan gas Fp, sarta θ nyaéta sudut deflection substrat. Dina aksi gabungan tina tegangan permukaan, gravitasi, gaya geser kentel sarta tekanan gas shielding, logam molten ngabentuk kolam renang molten logam dinamis saimbang. Di antarana, tegangan permukaan boga dampak greatest dina kolam renang molten, sarta aliran cairan dina kolam renang molten utamana disetir ku convection Marangoni disetir ku tegangan permukaan.

2 Kamajuan panalungtikan model sumber panas pikeun simulasi numeris of cladding laser

2.1 Surface sumber panas Gaussian

Ayeuna, lolobana simulasi numeris of laser cladding ngagunakeun modél sumber panas Gaussian, ditémbongkeun saperti dina Gambar 2. Énergi laser normal disebarkeun di spasi, kalawan leuwih di tengah jeung kirang di tepi, nu konsisten jeung prosés processing sabenerna. Sanajan kitu, sebaran énérgi dina arah jero tina kolam renang molten teu dipaliré, jadi teu cocog pikeun kaayaan gawé kalawan kolam renang deeper molten.

Ekspresi persamaan dénsitas fluks panas nyaéta: Tingali rumus (1) sareng (2) dina gambar. Dimana: q(r) nyaéta fluks panas permukaan dina radius r, W/m2; R nyaéta jarak ti puseur titik, m; c nyaéta koefisien konsentrasi fluks panas, m2; qm nyaéta fluks panas maksimum di puseur sumber panas, W/m2; P nyaéta kakuatan laser, W; η nyaéta laju utilization laser.

Sumber panas permukaan Gaussian cocog pikeun kaayaan ngolah kalayan lebar kolam renang molten leutik sareng jero sareng ketebalan lapisan cladding. Pikeun simulasi numeris widang suhu kolam renang molten, Wang Zhijian et al. [10] dipaké sumber panas permukaan Gaussian mun numerik simulate prosés solidification single-pass single-layer laser molten pool of TC4 titanium alloy. Panaliti mendakan yén dina cladding laser single-pass, kusabab transfer panas gancang dina buntut, panas di tungtung hareup kolam renang molten langkung kentel tibatan di tungtung pungkur, sareng jerona molten langkung ageung. Jeung kanaékan kakuatan laser, kolam renang molten jero molten jeung rentang zona kapangaruhan panas laun ningkat alatan kanaékan asupan énergi. Pant et al. [11] ngadegkeun model campuran kolam renang molten dumasar kana métode unsur terhingga sarta diajar kabiasaan mindahkeun panas tina kolam renang molten salila lebur déposisi laser. Hasilna nunjukkeun yén kolam renang molten nyaéta elips di hareup sareng ngawangun komét kalayan buntut anu manjang. Lebar kolam renang molten naek kalawan kanaékan kakuatan laser (sakumaha ditémbongkeun dina Gambar 3). Laju cooling naek jeung kanaékan speed scanning, sarta ngaronjatna kakuatan laser baris ngaronjatkeun gradién suhu dina kolam renang molten, sarta laju cooling bakal ningkat sasuai.

Sajaba ti éta, sababaraha sarjana geus nalungtik simulasi morfologi tilu diménsi tina kolam renang molten handapeun sumber panas permukaan Gaussian. Fallah et al. [12] ngajukeun simulasi fana model unsur terhingga pikeun ngaduga ukuran jeung évolusi morfologi kolam renang molten salila déposisi bubuk laser. Hasilna nunjukkeun yén simulasi profil kolam renang molten anu diprediksi caket kana percobaan,
tapi euweuh analisis husus dijieun dina widang suhu sarta widang aliran tina kolam renang molten. Gao et al. [13] ngadegkeun model prediksi numerik tilu diménsi pikeun single-pass processing salila cladding laser. Nganggo sumber panas distribusi Gaussian sareng dumasar kana metode unit kalahiran sareng maot, bentuk geometri lapisan cladding henteu kedah disetél. Widang suhu fana sareng struktur géométri tina lapisan cladding diitung sakaligus. Bentuk cladding diala aya dina perjangjian alus kalawan hasil eksperimen, ditémbongkeun saperti dina Gambar 4. Sajaba ti éta, maranéhna ogé dianalisis pangaruh parameter prosés dina widang suhu sarta bentuk geometri tina lapisan cladding.

Sababaraha sarjana bakal prasetél bentuk tilu diménsi tina lapisan cladding sateuacanna nalika ngagunakeun sumber panas permukaan Gaussian mun simulate widang aliran kolam renang molten. Liu Han et al. [14] ngadegkeun model tilu diménsi dumasar kana déposisi ukuran lapisan kontur sabenerna dina ulikan simulasi numeris widang hawa jeung stress widang dina déposisi laser prosés ngabentuk tilu diménsi. Dina dasar ieu, model unsur terhingga tina sutra-bubuk sinkron laser déposisi molten kolam renang diadegkeun, sarta hukum distribusi widang aliran kolam renang molten dicandak. Dua sirkulasi simetris kabentuk dina bagian cross tina kolam renang molten, sarta dua sirkulasi radial dihasilkeun, hiji kuat di hareup jeung hiji lemah di tukang. Distribusi cairan dina beungeut luhur kolam renang molten nembongkeun hukum difusi ti puseur ka tepi. Li et al. [15] ngadegkeun model gandeng multi-widang tina prosés cladding laser disk dumasar kana software COMSOL, sarta diitung sipat fisik termal tina bahan ngagunakeun métode CALPHAD. Nganggo sumber panas permukaan Gaussian, interaksi antara sinar laser sareng bubuk sareng kaayaan setrés di jero kolam renang molten dianggap sacara komprehensif, sareng hukum parobahan médan suhu sareng médan aliran nalika prosés cladding laser disk dicandak. The molten pool is ellipsoidal, jeung suhu pangluhurna lumangsung di tukangeun puseur kolam renang molten. Dina tahap awal cladding, laju aliran tina kolam renang molten low, sarta konduksi panas muterkeun hiji peran utama dina mindahkeun énergi kolam renang molten; Salaku prosés cladding proceeds, laju aliran logam molten dina kolam renang molten accelerates, sarta convection panas muterkeun hiji peran utama dina waktu ieu, ditémbongkeun saperti dina Gambar 5 jeung 6.

2.2 Surface sumber panas annular

Sumber panas annular permukaan nyaéta modél sumber panas anu unik pikeun simulasi numerik tina cladding laser annular kerung. Hal ieu dumasar kana prosés cladding laser annular kerung anyar "beam kerung jeung bubuk dahar dina beam", nu boga kaunggulan unik leuwih "laser solid" cladding tradisional. Prinsip dasarna nyaéta pikeun ngarobah balok padet kana balok annular kerung ngaliwatan sistem konvérsi balok [16-17], supados daérah konsentrasi distribusi énergi robih ti pusat ka ujung luar (sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 7), anu tiasa. ngaleungitkeun fenomena lebur teu lengkep di ujung saluran molten disababkeun ku Gaussian padet laser cladding sarta ngaronjatkeun disadvantage beungkeutan Metalurgi goréng [18].

Sebaran énérgi di wewengkon annular na ogé kawas sebaran Gaussian, sarta fungsi distribusi énergi nyaéta: Tempo rumus (3) dina gambar. Dimana: R0 nyaéta diaméter luar laser dina posisi fokus, mm; z nyaéta defocus, mm; φ nyaéta sudut antara sinar laser kerung jeung arah horizontal; ξ nyaéta koefisien posisi puncak énergi.

Tian Meiling et al. [18] dipaké ANSYS software analisis unsur terhingga pikeun simulate widang hawa tina annular kerung laser molten kolam renang sarta dipigawé analisis teoritis tina distribusi widang aliran tilu diménsi. Médan aliran tina kolam renang molten cladding laser kerung némbongkeun distribusi aliran opat-ring simetris, ditémbongkeun saperti dina Gambar 8. Shi Gaolian [20] dipaké ANSYS software unsur terhingga sarta dumasar kana beungeut model sumber panas annular kerung mun simulate hawa fana. widang kolam renang molten 45 sampel baja cladding alloy Fe313, sarta diala hukum évolusi widang hawa tina kerung laser cladding kolam renang molten. Alatan pangaruh akumulasi panas salila prosés cladding, suhu di kolam renang molten laun naek jeung kanaékan waktu scanning jeung jangkungna. Bentuk, posisi sareng distribusi dénsitas énergi tina kolam renang molten sareng kualitas bagian anu dibentuk bakal robih sacara signifikan kalayan parobihan siklus tugas. Li Guangqi et al. [21] simulated loading laser ring kerung dumasar kana software ANSYS ngagunakeun basa APDL digabungkeun jeung metoda Unit kalahiran-maot sarta diala hukum distribusi widang suhu lapisan cladding. Sebaran sakabéh médan suhu salila prosés cladding éta "komet-ngawangun". Dina tahap awal scanning, titik némbongkeun bentuk cingcin lengkep jeung distribusi énergi teoritis sarua. Salaku prosés scanning ngembang, wewengkon-suhu luhur dipindahkeun ka tukang sakabéhna, laun ngembang ti bentuk cingcin kana bentuk sela, ditémbongkeun saperti dina Gambar 9. Ieu confirms ciri énergi laser ring kerung tina "low di tengah. jeung luhur di tepi”. Sajaba ti éta, lapisan permukaan widang suhu lapisan cladding némbongkeun "bentuk lebak jero", kalawan luhur dina dua sisi jeung low di tengah, sarta dina arah jero tina lapisan cladding, hawa laun turun kalawan ngaronjatna jero. , sakumaha ditémbongkeun dina Gambar 10.

2.3 Sumber panas awak Gaussian

Dina prosés cladding laser sabenerna, sinar laser ngalir dina laju nu tangtu, sarta sebaran énergi teu seragam, utamana sebaran énergi sumber cahaya jejeg arah scanning rada béda, sarta modél sumber panas permukaan teu bisa nembus kana. kolam renang molten. Ku alatan éta, sumber panas awak datang kana mahluk. Énergi laser tina sumber panas awak teu ngan disimpen dina beungeut lapisan bubuk, tapi ogé bisa tembus kana jero lapisan cladding, nu ngaronjatkeun akurasi itungan widang suhu fana atawa widang aliran tina kolam renang molten [ 22]. Sababaraha sarjana geus ngadegkeun sumber panas awak Gauss puteran dumasar kana model sumber panas permukaan Gauss, ditémbongkeun saperti dina Gambar 11. Awak permukaan Gauss puteran dibentuk ku puteran kurva Gauss sabudeureun sumbu simetri na. Anggap yén énergi sumber panas sadayana disebarkeun di jero awak permukaan ieu, dénsitas fluks panas dina bagian melintang nyaéta distribusi Gauss.

Fungsi distribusi énergi nyaéta: tempo rumus (4) jeung (5) dina gambar. Dimana: e nyaéta basa alam; R0 nyaéta radius bukaan sumber panas; H nyaéta jangkungna sumber panas; Q nyaéta kakuatan sumber panas.

Sumber panas Gaussian mangrupikeun modél sumber panas anu paling seueur dianggo pikeun simulasi numerik tina kolam renang molten cladding laser. Zhang Kerong et al. [24] numeris simulated prosés fana laser lebur jero las of TC4 titanium alloy keyhole dumasar kana model sumber panas volume Gaussian puteran, sarta salajengna dianalisis pangaruh parameter prosés béda dina morfologi keyhole dina kombinasi kalayan percobaan. Panaliti nunjukkeun yén kalayan paningkatan dénsitas énergi laser, paningkatan kakuatan laser atanapi panurunan diaméter titik, jerona keyhole ningkat sareng ukuranana langkung lega. Diaméter titik mangrupa parameter prosés jeung pangaruh greatest dina morfologi keyhole. Sun et al. [25] simulated partikel bubuk déposisi énergi arah laser dumasar kana software béntés ngagunakeun modél fase diskrit, sarta dianalisis morfologi lapisan déposisi bubuk jeung sebaran hawa sarta widang laju dina kombinasi kalayan model sumber panas Gaussian. Hasilna nunjukkeun yén dina deposisi langsung énergi laser-speed tinggi, laju aliran ka handap dina aréa aksi bubuk dominan alatan tekanan disababkeun ku dahar bubuk, ditémbongkeun saperti dina Gambar 12.

Dina simulasi numeris morfologi kolam renang molten dumasar kana sumber panas Gaussian. Chai et al. [26] ngadegkeun modél numerik tina cladding laser dina substrat condong dumasar kana métode automaton sélular jeung simulated pangaruh sudut inclination béda dina aréa cross-sectional relatif, lebar, jangkungna jeung vertex offset tina lapisan cladding, sakumaha ditémbongkeun dina. Gambar 13. Hasilna nunjukeun yen aréa cross-sectional relatif mimiti naek, lajeng nurun, lajeng condong jadi stabil kalayan kanaékan sudut inclination substrat; lebar lapisan cladding naek jeung kanaékan sudut inclination, sarta jangkungna mimiti naek lajeng nurun; jeung kanaékan sudut inclination substrat, komponén gravitasi lapisan cladding jadi leuwih badag sarta leuwih badag, sarta vertex offset laun naek.

2.4 Sumber panas Ellipsoidal

Distribusi énergi dina kolam renang molten dina cladding laser mindeng lain awak rotasi Gaussian tilu diménsi. Dina raraga leuwih akurat simulate ukuran jeung bentuk kolam renang molten, hiji sumber panas awak distribusi ellipsoidal diusulkeun. Aya dua jenis sumber panas ellipsoidal: sumber panas ellipsoidal tunggal jeung simétri hareup-ka-tukang jeung sumber panas ellipsoidal ganda kalawan distribusi énergi hareup-ka-tukang béda. Dina poé mimiti, sababaraha sarjana ngusulkeun sumber panas hémisferik [27], sarta fungsi distribusi énergi nyaéta: tempo rumus (6) dina gambar. Dimana: q(x,y,z) nyaéta kapadetan fluks panas titik (x,y,z) dina sistem koordinat; c nyaéta jari-jari bal; Q nyaéta laju input panas.

Numutkeun sajumlah ageung observasi ékspérimén, sumber panas saleresna henteu disebarkeun sacara simetris payun sareng tukang. Ku alatan éta, panalungtik ngajukeun sumber panas ellipsoid ganda (sakumaha ditémbongkeun dina Gambar 14), kalawan bagian hareup jeung pungkur anu dua 1/4 ellipsoids mungguh.

Pungsi distribusi énergi hareup jeung tukang nyaéta: Tempo rumus (7) dina gambar. Dimana: qf jeung qr nyaéta sebaran fluks panas dina satengah ellipsoids hareup jeung tukang; af jeung ar nyaéta semi-sumbu tina satengah ellipsoids hareup jeung pungkur masing-masing; bh jeung ch nya éta dua semi-sumbu séjén tina satengah ellipsoids hareup jeung pungkur masing-masing, sarta dua semi-sumbu pondok tina dua ellipsoids sarua; ff jeung fr nyaéta bagian tina input panas dina satengah ellipsoids hareup jeung pungkur masing-masing, sarta ff + fr = 1.

Alatan ukuran badag tina kolam renang molten dihasilkeun ku sumber panas ellipsoid, éta loba dipaké dina simulasi numeris prosés ngolah laser kayaning las laser [29-30] sarta pre-set laser cladding. Hocine et al. [31] nganalisis béda antara tilu model sumber panas (sumber panas ellipsoid, sumber panas ellipsoid ganda, jeung sumber panas cylindrical) dina simulating évolusi médan suhu jeung kontur kolam renang molten dina lebur laser selektif. Hasilna nunjukkeun yén tilu modél sumber panas gaduh kaunggulan unik sorangan dina ngitung médan suhu sareng kontur kolam renang molten. Sumber panas cylindrical cocog pikeun ngitung médan suhu kolam renang molten, sedengkeun sumber panas ellipsoid boga akurasi luhur ngitung kontur kolam renang molten. Luo Xinlei et al. [32] dipaké ANSYS APDL pikeun simulate widang hawa tina single-channel lebur laser selektif tur dibandingkeun hasil simulasi handapeun sumber panas permukaan Gaussian jeung sumber panas ellipsoid ganda. Hasilna nunjukkeun yén sumber panas ellipsoid ganda gaduh kasapukan anu langkung saé sareng hasil ékspérimén tibatan sumber panas permukaan Gaussian kusabab distribusi énergina langkung caket kana sumber panas laser anu saleresna. Dina prosés lebur laser selektif, tanpa ngarobah dénsitas énergi input laser, ngaronjatna kakuatan laser sarta speed scanning nyata bakal ngaronjatkeun jero tur rubak kolam renang molten, ditémbongkeun saperti dina Gambar 15.

Sababaraha sarjana ogé geus dipigawé panalungtikan di-jero dina parobahan widang suhu tina kolam renang molten dina parameter prosés béda. Hao Xiaojie [33] dipaké software ABAQUS pikeun nganalisis variasi widang suhu salila lebur laser selektif. Anjeunna nganggo sumber panas ellipsoid ganda, anu nyebarkeun input énergi laser dina volume anu tangtu sareng dilarapkeun kana titik-titik modél bahan dina bentuk dénsitas fluks panas. Anjeunna diajar pangaruh parameter prosés béda dina widang suhu salila lebur laser. Lamun ukur kakuatan laser naek, laju pemanasan rata-rata jeung laju cooling dina kolam renang molten jeung ukuran kolam renang molten naek sasuai; lamun ukur speed scanning naek, laju pemanasan rata jeung laju cooling dina kolam renang molten naek steadily, bari ukuran tina kolam renang molten nurun rélatif; jarak scanning mangaruhan pangaruh remelting antara saluran ngalembereh, sedengkeun ketebalan bubuk mangaruhan pangaruh beungkeutan antara lapisan scanning.

2.5 Sumber panas digabungkeun

Sumber panas distribusi volume tunggal nyederhanakeun hukum distribusi sumber panas dina arah jero kolam renang molten, sareng henteu ngabédakeun bédana distribusi énergi laser dina permukaan sareng jero kolam renang molten [34]. Ku alatan éta, sumber panas gabungan diturunkeun, kayaning sumber panas awak segmented, congcot ganda ellipsoid gabungan sumber panas, sarta gabungan sumber panas ngagabungkeun Gaussian sumber panas permukaan jeung sumber panas awak. Sumber panas gabungan ngagabungkeun kaunggulan tina sumber panas permukaan jeung sumber panas awak, leuwih luyu jeung kaayaan kerja sabenerna, sarta boga akurasi simulasi luhur. Dina sumber panas gabungan, sumber panas permukaan umumna mangrupa sumber panas permukaan distribusi fluks panas Gaussian, jeung sumber panas awak umumna mangrupa sumber panas silinder Gaussian anu dilempengkeun linier atawa sumber panas awak anu puteran kalayan turunna fluks panas [35].

Cai Haipeng et al. [36] ningkatkeun sumber panas las dina dasar sumber panas Gaussian pindah, ngadegkeun model sumber panas segmented, dipaké grids kasar jeung sumber panas segmentation luyu keur ngitung masalah deformasi las, sarta digabungkeun téhnologi grid refined lokal pikeun simulate nu. évolusi stress. Wang Qibing et al. [37] dipaké sumber panas gabungan ngagabungkeun bagian luhur sumber panas ellipsoid ganda jeung bagian handap sumber panas awak puteran Gaussian pikeun simulate panas kolam renang molten sarta médan aliran salila las hibrid laser-MIG tina baja Invar. Hasilna nunjukkeun yén sebaran médan hawa kolam renang molten simulated ku sumber panas digabungkeun éta dasarna konsisten jeung hasil eksperimen sabenerna. Xie Yinkai et al. [38] ngadegkeun sumber panas gabungan tina sumber panas awak puteran parabolic (satengah handap) jeung sumber panas cylindrical (satengah luhur) (sakumaha ditémbongkeun dina Gambar 16) pikeun simulate gangguan husus tina ukuran kolam renang molten, aliran lebur jeung gas. panganteur bébas -cair salila lebur selektif laser. Dina cladding single-pass, speed scanning sarta ketebalan lapisan bubuk ngadominasi faktor formasi pori. Pikeun cladding multi-pass, faktor anu mangaruhan formasi pori utamana scanning spasi, sarta jumlah pori naek kalawan ngaronjatna spasi scanning.

Wang Yiwen et al. [39] ngadegkeun model angka simetris tilu diménsi pikeun gerak fana jeung panas sarta mindahkeun massa kolam renang molten dumasar kana software Fluent. Nganggo sumber panas Gaussian hémisferik tilu diménsi, prosés évolusi sareng paripolah aliran antarmuka cair / gas kolam renang molten dina parameter prosés anu béda dianalisis, sareng hubungan antara aliran, suhu sareng ukuran kolam renang molten sareng kualitas permukaan ditetepkeun, sapertos anu dipidangkeun. dina Gambar 17 jeung 18, tuturutan. Hasilna nunjukkeun yén morfologi lapisan cladding single-pass diala ku percobaan sareng simulasi sami. Saatos kolam renang molten stabil kabentuk, cairan dina kolam renang molten ngalir ti wewengkon-suhu luhur ka wewengkon-suhu low dina bentuk radial, sarta laju aliran laun naek ti tengah ka luar. Kaméra ngawas aliran slag sacara real waktos sareng arah aliran médan aliran simulasi konsisten.

2.6 Model sumber panas séjén

Kalawan ngembangkeun salajengna tina téhnologi komputer, sababaraha sarjana geus salajengna dioptimalkeun model sumber panas aya nurutkeun kaayaan gawé sabenerna sarta ngadegkeun model sumber panas anyar. Sajaba ti éta, simulasi numeris dina sababaraha kaayaan processing husus ogé bisa dihontal ngaliwatan model sumber panas husus, kayaning model sumber panas sinar laser broadband, model sumber panas ring kerung, jsb.

Lei Dingzhong et al. [40] dipaké software TracePro mun simulate jeung nganalisis jalur lampu sarta sebaran fluks lampu titik fokus W dibentuk ku nozzle cladding laser broadband jeung bubuk dahar dina lampu, sarta ngadegkeun model matematik tilu diménsi tina broadband ring kerung. laser dina beungeut eunteung. Tseng et al. [41] ngajukeun modél sumber panas laser dumasar kana parangkat lunak SYSWELD, sacara komprehensif nganalisis pangaruh ciri sinar laser sareng parameter prosés dina médan suhu sareng bentuk lapisan cladding, sareng ngarancang modél numerik pikeun verifikasi eksperimen cladding laser, anu tiasa dilarapkeun kana simulasi numerik prosés pangolahan laser séjén. Liu et al. [42] ngadegkeun model sumber panas sinar laser broadband, sarta fungsi distribusi énergi nyaéta: tempo rumus (8) dina gambar.
Dimana: I0=αβP/(wd). α nyaéta koéfisién nyerep laser, α=0.75; β nyaéta efisiensi kakuatan, β = 0.98; P nyaéta kakuatan laser; d nyaéta lebar titik laser broadband, d = 1.5 mm; w nyaéta panjang titik laser broadband, w = 15 mm. Liu et al. [42] diulik widang suhu jeung stress médan tina hiji single-pass cladding lapisan dina lega-beam laser cladding, dimana sebaran widang suhu dipidangkeun dina Gambar 19. Digabungkeun jeung data suhu, panjang, rubak jeung jero molten. kolam renang diitung. Dina waktos anu sami, épék parameter prosés sapertos kakuatan laser sareng laju scanning dina ukuran kolam renang molten, gradién suhu, tingkat pendinginan sareng tingkat solidifikasi dibahas. Salaku tambahan, sebaran médan setrés termal tina lapisan cladding dina arah anu béda sareng dina jalur anu béda ogé ditaliti.

Feng Yiqi [43] ngadegkeun model mékanika cairan kolam renang lebur laser selektif. Dumasar kana ciri atenuasi énergi laser jero ranjang bubuk, inténsitas laser atenuasi sumber panas awak dipaké dina simulasi nu: tingali rumus (9) dina gambar.
Hasil simulasi modél panyebaran bubuk diimpor kana modél mékanika cairan kolam renang molten pikeun ngaduga paripolah aliran kolam renang molten, sareng analisa anu jero dilakukeun dina hubungan antara paripolah aliran, liang sareng pangaruh spheroidization tina molten. kolam renang di multi-pass cladding. Hasilna nunjukkeun yén permukaan handap bahan aditif ngagaduhan distribusi bubuk anu langkung padet tibatan permukaan handap datar. Kusabab kateupastian hébat aliran kolam renang ngalembereh, fenomena spheroidization utamana lumangsung dina beungeut handap bahan aditif, sarta liang unfused lolobana dihasilkeun dina necking channel lebur antara sababaraha lapisan cladding, ditémbongkeun saperti dina Gambar 20.

Song et al. [44] sacara komprehensif dianggap pangaruh atenuasi tina interaksi antara jet bubuk jeung laser sarta pangaruh tilelep panas tina partikel bubuk unmelted asup ka kolam renang molten. Dumasar kana parangkat lunak COMSOL, modél sumber panas diadegkeun pikeun nyonto aliran lebur sareng tegangan permukaan antarmuka gas-cair. Médan hawa sarta sebaran widang aliran ditémbongkeun dina Gambar 21. Dina waktu nu sarua, curvature tina beungeut bébas tina kolam renang molten sarta ukuran lapisan cladding diprediksi. Dina tilu arah cross-sectional béda, arah gradién hawa simulated konsisten kalayan arah tumuwuhna sisikian. Verifikasi ékspérimén ngeunaan lebar lapisan cladding, jangkungna sarta jero kolam renang molten nunjukeun yen dina parameter prosés tempo pangaruh kakuatan laser béda, speeds scanning laser jeung ongkos dahar bubuk, kasalahan maksimum antara hasil simulasi jeung hasil eksperimen nyaeta 10%.

Xu Jiachao et al. [45] ngadegkeun model matematik tilu diménsi tina sumber panas laser ring kerung ku ngagabungkeun pamanggih awak géométri revolusi, sarta diala rumus analitis matematik na saperti kieu: tingali rumus (10) dina gambar.

Dimana: f1 nyaéta koefisien konversi énergi, f1≤1; Q nyaéta kakuatan input panas, W; μ nyaéta posisi puncak énergi, anu biasana aya di tengah wewengkon cingcin, nyaéta, μ=(R+r)/2; a nyaéta 1/2 tina rubak ring, nyaéta (Rr)/2; Urang Sunda jeung r nyaéta diaméter luar jeung diaméter jero tina titik ring, mm; c nyaéta jero sumber cahaya, mm. Parameter relevan model sumber panas ditangtukeun sacara ékspériméntal, sarta modél ieu dimuat dumasar kana software COMSOL mun simulate distribusi médan suhu fana jeung kurva siklus termal tina cladding laser ring. Puncak suhu sareng puncak lebak turun sareng ningkat masing-masing kusabab akumulasi panas sareng konduksi panas. Nalika jangkungna lapisan ningkat, daérah naékna suhu lapisan anu disimpen janten datar.

Dina kasimpulan, lingkungan lumaku tina sababaraha model sumber panas laser loba dipaké diringkeskeun dina Table 1. Dina simulasi widang suhu, tren distribution widang hawa diala ku model béda téh sarupa, sadayana dina bentuk komet elliptical, sarta bédana utama. nyaéta wewengkon-suhu luhur béda; dina simulasi widang aliran, sebaran sakabéh widang aliran kolam renang molten diala ku model sumber panas béda téh sarupa, sarta wewengkon-speed tinggi ogé ngumpul di puseur kolam renang molten. Beda utama nyaéta ukuran kolam renang molten béda, sareng modél sumber panas kalayan distribusi énergi anu langkung sumebar kéngingkeun jero sareng lebar lebur anu langkung alit. Kusabab parameter prosés kompléks dina prosés cladding sabenerna, Table 1 ngan pikeun rujukan, sarta model sumber panas kudu alesan dipilih nurutkeun kaayaan eksperimen sabenerna.

3 kamajuan Panalungtikan ngeunaan permukaan cair bébas dina simulasi numeris of laser cladding

Dina prosés cladding laser, beungeut cair bébas tina kolam renang molten aya dina kontak langsung jeung hawa, nu utamana kapangaruhan ku tegangan permukaan jeung langsung nangtukeun profil ukuran tina lapisan cladding. Kiwari, métode mainstream pikeun nalungtik beungeut bébas tina kolam renang molten ngawengku métode Level Set dumasar kana grids tetep, metode Volume of Fluid, metoda Coupled Level Set jeung métode Volume of Fluid, métode Phase Field, jeung Métode Lagrangian-Eulerian sawenang dumasar kana grids pindah.

3.1 Level Set Métode

Metode Level Set (LS), ogé katelah metode fungsi isosurface [49], ngagunakeun fungsi médan jarak pikeun ngajelaskeun antarmuka dinamis. Metodeu Level Set asalna diusulkeun pikeun diajar antarbeungeut aliran multifase, sareng ayeuna ogé dianggo dina pangakuan gambar, rekonstruksi antarmuka sareng widang anu sanés. Liu dkk.[50] ngagunakeun métode Level Set pikeun ngalacak permukaan bébas tina logam molten dina lebur laser selektif sarta kapanggih yén gangguan stabil disababkeun ku parobahan tegangan permukaan disababkeun depressions lokal dina beungeut cai molten, kukituna mangaruhan roughness permukaan cladding nu. lapisan sanggeus ngabentuk. Sanajan kitu, dissipation numeris sahiji metodeu LS relatif serius salila itungan, nu rawan masalah non-konservasi massa.

3.2 Volume Métode Cairan

Metoda Volume of Fluid (VOF) ngajelaskeun antarbeungeut bébas ku cara nangtukeun fungsi fraksi volume, sarta ngawangun deui antarbeungeutna ku cara ngarengsekeun fraksi volume dina grid tunggal. Métode VOF gaduh konservasi massa anu langkung saé tibatan metode LS. Ye Chen [51] simulated sarta ngaramal propil ukuran tina lapisan cladding of cladding laser dumasar kana métode VOF, sarta diverifikasi hasil simulasi ku percobaan ortogonal. Hasil babandingan tina tilu kelompok data, nyaéta jangkungna lebur, jero lebur, jeung laju éncér, némbongkeun simpangan dina 10%, nu ngabuktikeun akurasi model numeris. Sanajan kitu, akurasi antarbeungeut bébas diwangun ku métode VOF teu cukup luhur, sarta aliran dina arah normal tina panganteur teu bisa akurat dilacak [52]. Wen Baoxian et al. [53] ngadegkeun modél sumber panas awak tina distribusi énergi laser dina ranjang bubuk dumasar kana hukum rambatan sinar cahaya dina medium bubuk dumasar kana software béntés, sarta dirobah métode VOF Palasik, sarta diusulkeun metoda VOF nu bisa dipaké pikeun simulate fenomena runtuhna sanggeus bubuk lebur. Hasil itungan nunjukkeun yén parobahan volume lapisan bubuk bakal mangaruhan médan suhu sareng médan laju kolam renang molten sareng sakulilingna, kitu ogé morfologi ahir workpiece.

3.3 Métode Set Level Gandeng jeung Métode Volume Cairan

The Coupled Level-set kalawan VOF (CLSVOF) metoda ngagabungkeun kaunggulan tina metoda LS jeung métode VOF, sarta ngabogaan akurasi rekonstruksi panganteur alus tur konservasi massa. Wei et al. [54] ngagabungkeun metodeu LS sareng metode VOF pikeun ngajukeun modél aliran multifase gandeng pikeun diajar panas sareng transfer massa nalika déposisi kawat panas laser sareng aliran permukaan bébas. Modél bisa nangkep fluctuations halus tina panganteur gas / cair sakumaha leutik sakumaha ngeunaan 0.03 mm. Wang Xiangyu et al. [55] ngagunakeun métode CLSVOF pikeun ngaduga parobahan permukaan cair bébas tina kolam renang molten, dianalisis mindahkeun massa jero kolam renang molten, sarta ngajukeun model aliran multiphase pikeun simulating microflow of laser cladding bahan hétérogén. Panyimpangan antara percobaan sareng simulasi aya dina 9%. Sajaba ti éta, dina widang lebur laser selektif, Thorsten Heeling et al. [56] ngadegkeun model simulasi numerik tina kolam renang molten dumasar kana métode CLSVOF. Nalika analisa ukuran kolam renang molten diala ku simulasi jeung percobaan, kapanggih yén simpangan jero kolam renang molten ngaronjat ku kanaékan speed scanning, sedengkeun simpangan tina ukuran cross-sectional turun kalawan kanaékan speed scanning.

3.4 Métode Widang Fase

Métode Phase Field (PF) dumasar kana téori Ginzburg-Landau sareng ngarengsekeun perobahan transien antar muka ngaliwatan persamaan diferensial [57]. Teu kawas metoda VOF, teu merlukeun rekonstruksi antarbeungeut. Dibandingkeun jeung métode LS, teu merlukeun initialization tedious tina fungsi jarak. Jumlah itungan relatif leutik, sarta mibanda kaunggulan unik dina nungkulan masalah permukaan cair bébas kalawan skala leutik atawa sensitipitas tegangan permukaan tinggi. Jin et al. [58] ngadegkeun model simulasi numeris dua diménsi laser bubuk ranjang lebur dumasar kana métode widang fase sarta kapanggih yén pangaruh Marangoni bakal ngabalukarkeun gelembung pikeun ngabentuk dina kolam renang molten. Prosés remelting sareng ningkatkeun kakuatan laser tiasa ngabantosan ngaleungitkeun pori-pori, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 22.

3.5 Métode Lagrangian jeung Euler wenang

Metoda Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) ngalacak antarbeungeut dinamis ngaliwatan fungsi gerak antarbeungeut. Ieu ngagabungkeun kaunggulan tina dua métode déskripsi, Lagrangian na Eulerian, sarta ngabogaan kaunggulan atra dina kaayaan-precision tinggi permukaan cair bébas jeung masalah gandeng cairan-padet. Dumasar kana métode ALE, Tian et al. [59] ngagunakeun parangkat lunak COMSOL pikeun ngadamel transfer panas sareng modél unsur terhingga aliran cairan anu ngandung sababaraha parameter fisik, sareng ngajajah pangaruh parameter prosés anu béda dina laju éncér sareng géométri kolam renang molten. Hasilna nunjukkeun yén dina rentang anu tangtu, laju éncér sacara linier aya hubunganana sareng rasio énergi-ka-massa relatif. Sajaba ti éta, kalawan kanaékan rasio énergi-to-massa relatif, dipirig ku aliran cairan dina kolam renang molten, arc ngawangun panganteur solid-cair di handapeun kolam renang molten laun robah ti deet ka jero, ditémbongkeun saperti dina Gambar 23. Gan dkk. [60] ngadegkeun panas multiphase sarta modél mindahkeun massa pikeun déposisi langsung laser, sarta ngagunakeun métode ALE dumasar kana téhnologi bolong dinamis pikeun ngalacak parobahan dinamis tina beungeut kolam renang molten, sarta diitung profil ukuran kolam renang molten jeung distribusi komposisi, nunjukkeun yen. convection mangrupakeun mékanisme utama mindahkeun massa elemen alloy dina kolam renang molten.
Kasimpulanana, kaunggulan sareng kalemahan tina metode nyukcruk permukaan cair gratis di luhur diringkeskeun dina Tabél 2.

4 Verifikasi model simulasi kolam renang molten cladding laser

Dina ulikan ngeunaan simulasi numeris cladding laser, perlu pikeun nyieun model analisis numeris lumrah tur pariksa model. Verifikasi model ayeuna utamana ngaliwatan akuisisi suhu kolam renang molten, gambar jeung sinyal lianna, ngagunakeun téhnologi komputer pikeun ngolah sinyal, sarta tungtungna ngabandingkeun sarta verifying kalawan médan hawa sarta data simulasi widang aliran.

4.1 Verifikasi widang suhu

Laser cladding deteksi suhu kolam renang molten dibagi kana deteksi kontak sareng deteksi non-kontak [62]. Deteksi suhu kontak anu biasa dianggo utamina ngalangkungan pangukuran suhu thermocouple, sareng unsur sensing suhu aya dina kontak langsung sareng target anu diukur. Kauntungannana nyaéta operasi basajan jeung akurasi deteksi tinggi. Li Yanmin et al. [63] dipaké thermocouples pikeun ngukur suhu substrat, sarta digabungkeun jeung simulasi numeris pikeun nganalisis sebaran suhu jero kolam renang molten, sarta kira-kira diala parobahan suhu kolam renang molten. Kusabab suhu di tengah kolam renang molten cladding laser teuing tinggi, unsur sensing suhu teu tiasa ngukur suhu di tengah kolam renang molten, sareng lingkungan kerja suhu luhur jangka panjang bakal ngirangan umur jasa tina. parabot deteksi. Ku alatan éta, deteksi hawa kolam renang molten arus mainstream adopts pangukuran suhu non-kontak. Pangukuran suhu non-kontak tina kolam renang molten cladding laser utamina kalebet pangukuran suhu monochrome, pangukuran suhu colorimetric, sareng akuisisi sinyal gambar sareng pangukuran suhu ngalangkungan CCD [64]. Peng Cheng et al. [65] dipaké software ANSYS mun simulate sebaran médan suhu salila prosés cladding ngabentuk tina alloy titanium témbok ipis, sarta dirancang hiji kerung ring laser cladding molten kolam renang hawa Sistim deteksi online ngagunakeun thermometer dua-warna, diukur suhu sabenerna, sarta diverifikasi. hasil simulasi. Hasilna nunjukkeun yén nalika lapisan déposisi akumulasi ka luhur, fenomena akumulasi panas janten langkung serius. Forien et al. [66] ngarancang sistem deteksi di-situ pikeun kolam renang molten dina prosés lebur ranjang bubuk laser ngagunakeun pangukuran suhu dioda suhu luhur sareng téknologi pencitraan anu gancang. Aranjeunna manggihan yén parobahan dina sinyal pyrometer ieu patali jeung wewengkon formasi pori, sarta kamungkinan formasi pori ngaronjat sharply di wewengkon transisi sinyal-suhu luhur (5% ~ 95%).

4.2 Verifikasi widang aliran

Verifikasi widang aliran tina kolam renang molten utamana ngawengku dua jenis: deteksi di-situ jeung deteksi non-di-situ. Deteksi di-situ utamana ngagunakeun kaméra CCD atawa kaméra CMOS pikeun ménta gambar morfologi permukaan kolam renang molten real-time salila prosés cladding laser. Saatos ngolah gambar, éta dibandingkeun sareng data simulasi pikeun verifikasi. Wirth et al. [67] dirancang hiji laser cladding-speed tinggi kaméra gambar Sistim akuisisi online (sakumaha ditémbongkeun dina Gambar 24) pikeun ménta hukum aliran permukaan kolam renang molten jeung speed gerakan partikel. Analisis kapanggih yén arah aliran lokal tina kolam renang molten kapangaruhan ku parameter prosés sarta ngabogaan randomness tangtu. Dina kalolobaan simulasi numerik, anggapan yén cairan dina kolam renang molten aliran laminar bakal boga dampak tangtu dina hasil simulasi. Huang Jiankang et al. [68] dipaké métode tracing partikel digabungkeun jeung molten kolam renang eunteung Imaging sistem pikeun diajar paripolah aliran TIG las permukaan kolam renang molten. Ku calibrating hubungan pemetaan antara lebar kolam renang molten sabenerna sarta lebar piksel tina data video, aranjeunna diitung yén laju aliran permukaan kolam renang molten éta ngeunaan 12 mm / s (304 stainless steel) jeung 15 mm / s (karbon Q235. baja). Deteksi non-in-situ utamana ngadeteksi profil ukuran sareng sipat mékanis tina conto ékspérimén, teras ngabandingkeunana sareng data simulasi pikeun verifikasi. Wu Jiazhu [68] nalungtik mékanisme mindahkeun aliran panas tina prosés déposisi logam langsung laser, diukur jero lebur sampel sarta jangkungna lapisan déposisi diala ku percobaan, sarta dibandingkeun aranjeunna kalayan data profil bentuk kolam renang molten diala ku simulasi, verifying yén modél gaduh akurasi prediksi anu luhur (≥95%).

5 Ringkesan sareng Outlook

Médan hawa sareng simulasi médan aliran tina cladding laser kondusif pikeun ngungkabkeun ciri dinamis metalurgi tina kolam renang molten, tapi masih aya masalah di handap ieu:

1) Dina ulikan ngeunaan simulasi médan aliran kolam renang molten, kaayaan wates teu sampurna. Sacara umum, ngan ukur tegangan permukaan, gravitasi sareng buoyancy tina kolam renang molten anu dianggap gaya dina cairan dina kolam renang molten, sareng tekanan gas pelindung sareng dampak partikel bubuk anu teu dilebur dina permukaan kolam renang molten dianggap kirang. .

2) Dina prosés diajar parobahan dina widang hawa sarta widang aliran jero kolam renang molten, sababaraha sarjana bakal prasetél bentuk lapisan cladding sateuacanna atawa nganggap yén kolam renang molten aya dina pesawat nalika ngadegkeun model unsur terhingga. , Bari ignoring beungeut bébas tina cair kolam renang molten / gas, nu watesan akurasi model ieu pikeun analisis gerakan kolam renang molten sarta panganteur cair / gas, kitu ogé ulikan ngeunaan mékanisme aliran tina kolam renang molten.

3) Seuseueurna studi dumasar kana substrat horizontal, tapi bagian-bagian anu kedah dilereskeun sering bentukna kompleks sareng dina permukaan dasar anu henteu horisontal. Ku alatan éta, cladding laser dina surfaces non-horizontal base perlu panalungtikan salajengna.

Dumasar kana kakurangan di luhur, léngkah-léngkah perbaikan di handap ieu diusulkeun.

1) Ningkatkeun kaayaan wates. Tekanan gas shielding diukur sacara ékspériméntal, diitung sarta ditambahkeun kana beungeut kolam renang molten salaku kaayaan wates.

2) Ningkatkeun modél numeris. Panalungtikan simulasi widang aliran bubuk tina nozzle cladding laser geus pisan dewasa. Urang bisa nyobaan ngagabungkeun model fase diskrit pikeun sakaligus nambahkeun bahan bubuk pikeun ngabentuk lapisan cladding salila prosés simulasi jeung nyieun aliran multiphase cocok jeung modél mindahkeun massa.

3) Mékanisme formasi jeung prosés évolusi tina lapisan cladding kudu dianalisis dina kombinasi kalayan gaya internal tina kolam renang molten, sarta katerangan ilmiah ngeunaan kabiasaan aliran sarta parobahan morfologis kolam renang molten handapeun sikep variabel bakal panalungtikan konci salajengna. arah.