激光刻花表面形貌的数值模拟及实验比较

建立了一种研究激光刻花轧辊表面形貌的三维模型 .该模型采用有限元方法对熔池中的热传导、对流以及熔池表面变化进行了模拟 .模拟的表面形貌与实验结果进行了比较 ,能对实验结果进行较好的解释     

一种模拟激光刻花的二维CSF模型

采用连续表面力的方法，建立了模拟激光刻花的二维瞬态模型，模型考虑了热传导，对流传热和熔池表面形貌变化等因素，设计了适合连续表面力方法的热源和虚拟体积力，建立了物理模型，并利用有限元和多层网格方法求解，得出了激光刻花过程中材料内部的等温线，熔池内的等压线和速度分布。     

不同工作模式下激光熔化沉积过程熔池演变数值研究

激光熔化沉积工艺中有连续波(continuous-wave,CW)和脉冲波(pulse-wave,PW)两种激光模式.基于Fluent针对熔池瞬态运动和传热传质建立了三维对称数值模型,通过求解VOF(volume of fluid)连续方程追踪沉积层自由表面,分析了不同激光工作模式下熔池的演变过程及上表面波动规律,对熔池尺寸及最大流速、最高温度进行了对比.结果表明:所得模拟结果和实验结果吻合良好.两种激光模式下熔池上表面中部都会经历凹陷-凸起的波动过程,CW模式熔池内部流速变化相比PW模式平稳,后期熔池内部流动呈准稳态,而PW模式下会重复经历熔池形成过程.PW模式下熔池内部最大流速、最高温度呈周期性变化;同时脉冲激光增大了熔池上表面的波动,其上表面波动幅度接近CW模式的1.8倍,而熔池的较大波动可以较好地平衡未熔化的熔渣颗粒.     

脉冲激光表面熔凝熔池演变数值模拟

为了研究脉冲激光作用过程中表面快速熔化与凝固的过程,建立了脉冲激光作用熔池金属熔凝的二维热流耦合模型．考虑重力、材料物性随温度的变化等的影响,利用焓-多孔度方法和用户自定义函数对表面熔化凝固的固液相界面演化进行了分析;采用熔化／凝固模型对熔池内的瞬态温度场、速度场和流场进行了数值模拟,并以实验验证模拟结果．计算结果表明：表面熔化与凝固的固液相界面的移动呈现不同状态;在熔凝过程中,熔池内除存在一对方向相反的主环流外,还存在多个环流;流体的速度随着温度的降低而减小且速度最大的区域位于熔池表面附近．     

等离子熔积成形混相瞬态场的Level-Set方法模拟

提出了一种二维等离子熔积成形瞬态模型，该模型描述了液／气界面的自由表面发展，并模拟了熔池内流体流动和传热．采用Level—Set方法处理液／气界面边界条件，考虑了熔体流动的主要驱动力——表面张力梯度、表面曲率、浮力以及工件表面的对流散热等因素．用固液相统一模型来描述固／液界面处的熔融和凝固过程，并开发了相应的软件．对高温合金K163在不同扫描速度下的熔积层表面形貌、温度场以及熔池内流场进行了模拟分析．     

灰铸铁HT200脉冲激光表面重熔

文章报道了用千瓦级N d:YAG脉冲激光器对灰铸铁HT 200进行表面重熔的实验.对激光参数与重熔层熔池形貌、表面粗糙度、显微硬度及结构的关系进行了分析,并提出迅速有效地获得最佳激光加工工艺参数的方法.     

脉冲激光填丝焊接薄板熔池流动行为分析

本文使用VOF方法对熔池自由表面进行追踪,将焊丝简化为熔滴,建立了脉冲激光填丝焊接薄板三维数值模型,揭示了脉冲激光填丝焊接0.5 mm厚Hastelloy C-276薄板熔池流动行为,通过焊缝余高尺寸及熔合线形貌验证了模型的可靠性.结果表明,熔滴作用前,熔池上表面区域主要存在由表面张力导致的熔池边缘向熔池中心的流动,最大速度出现在熔池中部且指向熔池下表面,达到了m/s量级;在熔池下表面区域的流动形式是表面张力及熔池中心流动共同作用的结果,在下部形成两个方向相同的涡流;焊丝的熔入对熔池流场有显著的影响,熔滴对熔池的冲击作用改变了熔池原有的对流方向,使表面张力主导的熔池对流特征消失;熔滴熔入过程中熔池最大速度出现在熔滴熔入位置,约为1.74 m/s.在熔滴冲击与熔池表面张力联合作用下,熔池表现出振荡特性,随后熔池内流动再次回到由表面张力驱动的对流形式.激光脉冲结束后,熔池下部固液界面继续向母材区域扩展约3-4 ms,这种现象与激光的脉冲作用、熔池内的流动及Hastelloy C-276的物性参数有关.     

激光加热熔池流动的数值模拟

在表面张力驱动的熔池流动中表面附近存在着很大的速度梯度,因此在有关熔池流动的数值模拟中,对该速度变化急剧的表面层作了特殊考虑,采用对包含该表面层的薄层和对此薄层以外的其余区域分别求解并相互耦合的方法,得出模拟结果;该结果与把熔池作为一个整体进行求解所得到的结果相似.     

激光焊接与重熔自由表面温度分布及溶池形状的数值分析

以固液相变的统一模型方程为基础，计算了激光焊接与表面重熔不同加热模型条件下，液态熔池的形成过程，以及温度场和流场。主要考察了激光诱导的合金元素汽化和表面张力驱动流对自由表面温度分布及溶池形态的影响。结果发现，溶池自由表面温度和溶池形状主要受表面温度分布及熔池形状的影响。结果发现，溶池自由表面温度和溶池形状主要受表面张力驱力的流体流动的影响，它在限制自由表面最高温度方面起飞着主要作用，合金元素汽化热     

激光焊接与重熔自由表面温度分布及熔池形状的数值分析

以固液相变的统一模型方程为基础,计算了激光焊接与表面重熔不同加热模型条件下,液态熔池的形成过程,以及温度场和流场.主要考察了激光诱导的合金元素汽化和表面张力驱动流对自由表面温度分布及熔池形状的影响.结果发现,熔池自由表面温度和溶池形状主要受表面张力驱动的流体流动的影响,它在限制自由表面最高温度方面起着主要作用,合金元素汽化热损失的影响是第二位的.熔池的形状主要受液态金属涡旋方向的影响,在负的表面张力温度系数条件下,熔池浅而宽;在正的表面张力温度系数下,熔池深而窄.     

基于COMSOL的激光熔覆单层单道温度场有限元仿真分析

为了确定高速钢刀具表面激光熔覆工艺的最优参数,利用COMSOL软件建立激光熔覆温度场三维数值模型,模拟高速钢基体单层单道熔覆Fe60粉末的动态过程,同时考虑粒子对激光束的遮蔽作用,优化热源模型.模拟结果发现,激光辐照前端熔覆层熔池温度梯度大,熔池尾端温度梯度趋于平缓.最终确定最优工艺参数为：激光功率1 300 W,扫描速度2 mm/s,送粉速率12 g/min.     

激光熔凝温度场的数值计算

利用激光圆形光斑对和性的特点,建立了激光表面快速熔凝条件下温度的二维数值模型,边界条件点源模型推导,同时采用SIMPLE算法进行计算,在保证精度的条件下简化了计算（相对于三维）,计算结果与实验结果吻合良好,表明这种算法在一定条件下能够凝确的反映激光表面熔凝过程中,熔池纵截面的温度场信息及激光和理熔过程中生长界面的形态。     

基于烧蚀原理的激光抛光的数值建模与分析

采用连续激光对304不锈钢材料进行了基于烧蚀原理的激光抛光实验,得到了较好的抛光效果.耦合激光抛光中的传热和材料汽化,建立了一个二维瞬态数值模型,仿真了激光抛光中工件表面的演变,预测了激光抛光后工件的表面形貌和表面粗糙度值,仿真结果与实验结果十分接近,误差仅为8.17%.此外,利用该模型研究了激光抛光中工件表面移动速度的分布情况,确定了表面移动速度与初始表面形貌的关系:表面形貌波峰位置的表面移动速度较大,而波谷位置的表面移动速度较小,揭示了基于烧蚀原理的激光抛光降低工件表面粗糙度的机制.     

基于制造特性的微小型构件表面形貌数值模型

依据微小型构件的结构特点,提取了反映制造特性的表面形貌特征,基于Patir模型,建立了含有波纹度和粗糙度特征参数的表面形貌数值模型.模拟结果与实验验证表明:利用该数值模型生成的模拟表面与期望表面在统计特性上(粗糙度、自相关函数等)吻合较好,波纹度参数的补充使模拟表面更接近实际表面,为进一步研究制造特性参数与接触性能之间的相关关系提供了数值模型基础.     

基于实验铝合金激光小孔焊熔池表面速度计算

为了解决激光焊接铝合金熔池表面液态金属流动速度量值化问题,结合高速摄影装置与波动理论,提出了计算激光焊焊接过程中铝合金熔池表面液体流速的计算方法.根据有限深度液体流动模型,波速取决于液体波传播的波长以及液体深度这两个物理量,采用高速摄影对焊接过程中熔池的流动形态进行拍摄,得到进行波的波长;对焊缝截面的熔深进行测量得到液体的深度,可以计算熔池表面液体的流动速度.研究表明,在激光束功率为6 kW,焊接速度分别为0.066 7,0.075,0.083 5 m/s的高速焊情况下,熔池表面的流动速度可达0.065 8,0.064,0.072 m/s.     

矩形六电极炼镍矿热熔炼炉电场的模型试验

以水力模型实验为手段对１６５００ｋＶＡ矩形六电极炼镍矿热电炉进行了模拟试验，探讨了熔池中的电位分布、电流分布、功率分布特点及溶液浓度、熔池渣层深度、加料方式、电极插入深度、电极尺寸等因素对熔池电场分布的影响，提出了有关参数的优化值．     

定点TIG焊熔池自由表面演化行为

针对传统定点TIG焊,根据流体力学基本原理,通过加载高斯热源模型并用VOF方法追踪自由表面,建立更接近实际情况的三维定点TIG焊熔池模型.考虑熔池所受的电弧压力、电磁力、浮力及Marangoni剪切力的影响以及相变潜热,运用FLOW3D软件及其二次开发功能,求解得到定点TIG焊熔池的流场、温度场及自由表面,并重点分析熔池自由表面随时间的演化过程.结果表明:TIG焊熔池会产生自由表面变形,随着焊接时间的延长,TIG焊熔池熔深和熔宽均有所增加,形成宽而浅的熔池形貌,同时熔池表面的凹凸变形愈加明显.     

LD泵浦Nd:YAG激光毛化轧辊粗糙度的模拟分析

针对CO2激光器和灯泵浦的Nd:YAG激光器毛化技术的不足,利用半导体泵浦Nd:YAG激光器进行轧辊毛化。此装置具有峰值功率较高,光学质量好,使用寿命长,维护成本低等优点。本文利用半导体泵浦Nd:YAG激光器对轧辊毛化试验,分析了泵浦功率、脉冲频率、脉冲宽度、离焦量以及点阵密度等加工参数对毛化坑形貌和表面粗糙度的影响规律,并根据实验结果对表面粗糙度进行数值模拟,最后对模拟结果与实验值进行比较,得出了可以有效使用该模拟方法给出加工参数的调整规律结论。     

Fe-Mn-Si记忆合金激光焊接数值模拟

利用有限元方法,对Fe-Mn-Si记忆合金平板激光对接焊的温度场和应力场进行三维数值模拟。根据激光焊接特点,建立表面高斯热源和锥形体热源结合的复合热源模型,并编制APDL子程序实现焊接热源的加载和移动。结合材料非线性、相变潜热、边界换热条件等因素,通过模拟计算得到焊接过程中瞬态温度场分布和熔池尺寸,并分析整体温度场分布、焊接热循环特性。焊缝熔合线和尺寸的模拟结果与实际结果吻合良好,验证了模型的正确性。在温度场计算结果基础上,利用间接耦合法,对Fe-Mn-Si记忆合金激光焊的动态应力场和残余应力进行模拟计算,得到焊后最大残余应力为247 MPa,接近其屈服强度。     

预热温度对激光熔覆Co基合金数值模拟的影响

观察并研究了Co基合金熔覆过程的温度场和应力场的规律,建立了激光熔覆预置Co基合金粉末过程的三维模型,考虑温度变化对热物理参数的影响以及表面对流换热和辐射散热等影响因素,使用SYSWELD软件分析了激光熔覆过程中的温度场和应力场,并进行了实验验证.结果表明:温度场等温线呈椭圆形,熔池最高温度区域滞后于光斑中心,扫描速度为4 mm/s的激光熔覆过程获得了良好的冶金结合;基体预热温度从20℃增加到300℃,t8/5从0.5s增加到1.5s,熔池的瞬时冷却速度分别减小至0.88倍和0.64倍,工件的残余应力和变形均明显减小,这说明对基体适当预热能有效降低熔覆层的开裂倾向.模拟结果为激光熔覆过程的优化提供了理论依据.