Effect of Processing Parameters on Thermal Phenomena in Direct Laser Metallic Powder Deposition

Direct laser metallic powder deposition technique is widely used in manufacturing, part repairing, and metallic rapid prototyping. The ability to predict geometrical accuracy and residual stress requires an understanding of temperature distribution during the deposition process. This study presents a numerical model of three-dimensional transient heat transfer in a finite model heated by a moving laser beam. Thermal phenomena in the process were investigated. The complex solid-liquid problem and latent heat of fusion were treated by means of equivalent thermal conductivity and modified specific heat, respectively. Using method of birth and death of elements, the growth of additive layers and the shape of melt pool were obtained. The effect of processing parameters such as absorbed power, travel speed, and preheated temperature on melt pool sizes and cross-section of deposited layer profile was studied. The results show that the melt pool sizes increase with absorbed power and decrease with travel velocity. In addition, the preheated temperature contributes less to the melt pool size. The results are generally in a good agreement with experiments in published literature.     

SLM成形多层多道金属薄壁件温度场有限元模拟

针对高强铝合金A17075选区激光熔化（selective laser melting,SLM）过程中未知的熔池变化规律和层间作用影响产品成形效率和精度的问题，研究不同工艺参数（激光功率和扫描速度）对各成形层熔池形态和温度场的影响。利用有限元分析软件ANSYS建立金属薄壁件SLM成形的多层多道温度场有限元模型，同时，利用APDL（ansys parametric design language）语言编程模拟了激光热源的加载、激光功率与扫描速度，采用“单元生死”技术描述金属粉末材料的动态增长过程，得出瞬态温度场的分布状况。结果表明，激光功率与扫描速度各自影响不同的温度场因素，适合Al7075粉末的SLM工艺参数为功率250~300 W，速度800~1 000 mm/s。本文得到了激光功率和扫描速度的合理范围，为高强铝合金SLM实际实验提供理论参考。     

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．     

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     

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．     

激光熔覆产生的熔池温度与对流分析

由激光熔覆产生的熔池的内部存在复杂的传热与传质过程.鉴于熔池的尺度微小以至于难以对其进行实时监控,构建了一个激光熔覆数值模型,对熔池内部的温度分布与对流模式进行了仿真分析.结果表明:熔池的温度梯度非常高,且熔池底部延伸至基体的部分由于高温发生再奥氏体化.熔池内的流体流动主要由Marangoni运动驱动,且熔池内的对流形式为环形对流,最高流速达到0.1m/s.研究结果能够为熔覆层的成型过程及合金粉末在熔池内的传输过程提供理论依据.     

钠钙玻璃在CO2激光作用下的热应力分析

为了研究钠钙玻璃在预热和无预热两种情况下进行激光加工所产生的热应力的差别,在考虑辐射和对流的情况下,建立了激光扫描玻璃板的传热数学模型.分析了热应力与温度场分布之间的关系,并用有限元软件Ansys进行了数值模拟,得到了钠钙玻璃在预热和无预热两种情况下进行激光加工的温度场和应力场分布.计算结果显示预热后进行激光加工产生的热应力小于无预热的情况,试验结果与理论分析和数值计算基本符合.     

GTA焊接熔池特性的数值模拟

以GTA焊接熔池为研究对象,建立了304不锈钢材料的移动GTA焊接过程的数学模型,模型中考虑了电磁力、浮力和表面张力.利用大型通用商业软件Phoenics3.4进行数值模拟.通过引入液相分数标量描述界面熔融区,能量方程中将潜热转换为热焓源项,而动量方程则引入Darcy源项,由此建立统一的液固相控制方程,实现在固定网格下求解具有移动界面的熔化和凝固过程.应用该模型计算了不锈钢GTA焊接过程中的熔池形状、工件的温度场和熔池的流场,熔池形状计算结果与实际焊接结果吻合.     

金属粉末激光选区烧结过程的特征探讨

采用激光选区烧结的方法,对Ni基合金粉末进行了一系列激光烧结成形试验.在试验的基础上,阐述了用激光直接熔化金属粉末,烧结成形金属零件的一些基本特征,这主要包括在激光烧结成形过程中的熔池球化特征、熔体流动特征和动态凝固组织特征.分析了熔池球化现象对烧结成形的不利影响,提出了减少粉层厚度和加大激光功率,可避免熔池球化现象的出现.进一步探讨了烧结过程的基本规律和烧结成形的基本机理,为金属粉末的直接激光烧结成形提供了依据.     

不锈钢薄板大功率激光点焊温度与应力特性研究

以0.5 mm厚的304不锈钢薄板为研究对象,采用热-结构间接耦合法,获取其在3 000 W功率光纤激光器点焊加工过程中温度场和应力场的分布特点及变化特性.在温度场模拟过程中采用修正的锥形热源模型,并将模拟得到的焊点形状与实验得到的形状进行对比.结果显示:运用该修正热源模拟得到的温度场分布特点与实际加工过程相吻合; 模拟得到熔池的凝固速度均在4 000 K·s^-1以上,属于远离平衡态的快速凝固; 在焊接过程中,计算域的最大等效应力均分布在夹具位置,且在熔池周围出现环状的高应力区.     

潜热对激光涂敷过程中温度场的影响

应用自编子程序与通用软件ABAQUSTM联机模拟计算了考虑潜热影响的激光涂敷过程温度场的变化.为定量地考察潜热的影响,使用了考虑潜热及不考虑潜热两种分析模型.计算结果表明,在激光涂敷过程的温度场分析中,潜热的影响不是总可以忽略的,其误差取决于材料在物相转变时交界面温差的范围及材料熔解体积的大小.考虑潜热的有限元模型分析结果和忽略潜热的计算结果比较,前者显示出较低的最高温度、较小的熔池范围和较窄的热影响域.另外,在移动热源作用下潜热的影响比固定热源更为突出.与实验结果比较,证明考虑潜热的计算模型会得出更精确的结果.     

选区激光熔化直接成型零件工艺研究

为了提高选区激光熔化成型金属零件致密性与精度,首先对激光扫描单道熔池形成特性进行研究,讨论扫描速度、激光功率对熔池宽度影响,观察到熔池附近无粉区宽度 与熔池宽度 的关系为： = ×（1.5~2）。根据单道熔池成型特性,采用层间错开扫描策略提高零件致密性到近乎100%,显微观察层间与层内熔池搭接紧密。接着成型包括圆柱圆孔等几何单元讨论热影响、原始尺寸对尺寸精度的影响,当光斑补偿 与聚焦光斑直径 满足 时,尺寸精度达到（0.04~0.06）mm。对SLM成型件拉伸强度、延伸率、显微硬度测试分别为636Mpa、15%~20%与HV0. 3 250~285。结果表明,层间错开扫描策略与优化的光斑补偿值对SLM直接成型金属零件的致密性与精度具有较好效果。     

深熔激光焊接熔池温度场的数值模拟

利用旋转GAUSS曲面体新型热源模型,忽略深熔激光焊时小孔对传热的影响,建立了移动激光热源作用下的三维数学模型。利用PHOENICS3.4软件,模拟了SUS304不锈钢深熔激光焊接热过程的温度场和熔池熔合线形状,得到了不同焊接速度下的温度场分布云图和＂钉头＂状的熔池形状,试验表明数值模拟结果与试验结果基本吻合。     

激光熔覆沉积TC11钛合金基板应力预测和微观组织研究

对损伤的TC11钛合金零部件进行激光熔覆沉积修复,可在不影响零件使用性能的前提下,节约贵重钛合金资源,提高零件利用率。分析修复后熔覆层和基材组织性能和开裂倾向是激光熔覆沉积修复工艺的基础研究工作。采用高斯热源,建立了单道单层激光熔覆应力预测三维数值模型,研究了激光熔覆基板的应力分布规律。随后,进一步实验研究了TC11激光熔覆区的显微组织结构。结果表明,激光熔覆区可分为熔覆层、热影响区和热应力层3部分。基板热应力层的晶粒受到应力的作用变形显著。激光熔覆后基板应力仿真和实验结果分布趋势一致,且最大热应力深度随激光功率的增大而增大。     

HgCdTe探测器在激光辐照下的温度场模拟

 当强激光辐照光电探测器时,热效应是最主要的破坏机制。探测器表面吸收激光能量导致表面温度升高。温度升高到一定程度,探测器处于非正常工作状态,输出信号失真,不能准确探测信号。而探测器的温度场分布与探测结构和材料的物理性质有很大关系。为研究探测器内部的温度场分布,本文建立了热传导模型,利用Matlab软件数值模拟了激光辐照下探测器内HgCdTe光敏元的温度场分布,并对特定外界环境条件下,激光损伤阈值与胶层的厚度和热导率的关系进行分析,研究结果对探测器激光损伤效应提供有效的理论依据,同时也有助于研究HgCdTe探测器的激光防护性能。     

高温空气燃烧技术改造均热炉方案研究

系统研究了高温空气燃烧技术改造均热炉的各种方案 .提出这种新型燃烧技术必须充分考虑系统布置、炉膛结构、炉内烟气流动及传热过程、工件加热工艺过程等因素 .通过大量的数值模拟试验 ,发现在各种改造方案的入炉热量与原均热炉相等的情况下 ,当空气、燃气温度分别被预热到 12 73K和 10 73K时 ,炉内的最高温度相对较低 ,而炉内平均温度相对较高 ;温度分布不均匀系数Rtu从 33.18降到了 18.0 0左右 .在空气预热温度相同情况下 ,燃气预热温度越高 ,NOx 排放量越大 .最后 ,提出了均热炉燃烧系统的改造方案 ,并进行了非稳态燃烧过程数值模拟研究 .     

Growth of decagonal quasicrystal phase in laser resolidified Al72Ni12Co16

An ultra-high temperature gradient directional solidification process produced by a widened laser beam was adopted to achieve the directionally solidified microstructure of the stable decagonal quasicrystal phase in Al72Ni12Co16 alloy. X-ray, SEM, TEM and optical microscopy techniques were used to investigate the microstructures and identify the phase. The directionally solidified decagonal quasicrystal showed the facet morphology and grew in lateral growth mode. The unusual periodic and quasiperiodic atomic structures of the decagonal quasicrystal and the epitaxial growth in the melt pool were considered to be the key factors influencing the growth morphology. The experimental results were consistent with the Toner's theoretical atomistic growth model.     

电渣重熔过程电磁场和温度场数值模拟

建立了考虑电流集肤效应的三维电渣重熔电磁场和温度场数学模型,并采用电磁场和金属熔池形貌测量方法分别验证了数学模型的准确性,分析了电流频率和渣池厚度对电渣重熔过程电流密度、磁感应强度、电磁力、焦耳热、温度、熔池深度的影响规律.结果表明:随着电流频率增加,电极和钢锭表面电流集肤效应明显,渣池内部电流分布基本不变;电渣重熔系统内最大焦耳热位于平底电极与渣池接触角部,然而高温区位于渣池内部电极下方靠近渣金界面处.当渣池厚度从015m增加到021m,渣池中心轴线上最高温度从1826℃降低到1721℃,金属熔池深度从022m降低到016m.     

钛合金激光熔丝增材制造的温度场与应力场模拟

激光熔丝增材成形过程中复杂热循环和残余应力分布会使沉积层产生较大的变形甚至开裂.利用ABAQUS软件建立其完全热力耦合有限元模型,采用移动热源子程序模拟激光加载,生死单元技术模拟材料的添加.综合考虑了材料的熔化潜热、对流/辐射换热边界条件、随温度变化的材料非线性等问题,研究Ti-6Al-4V 钛合金单道多层薄壁件沉积过程中的热循环特性和残余应力分布.结果表明:沉积成形经历了快速加热、快速冷却的过程,随着层数的增加,热累积效应增强;沉积层整体呈拉应力状态,易产生裂纹等缺陷.     

对熔喷气流拉伸一维数学模型的改进研究

改进了Shambaugh等提出的熔喷气流拉伸一维数学模型,考虑了聚合物熔体密度和比定压热容随温度变化时的情况,引入了幂律流体本构方程,并讨论了聚合物体积流量等参数对纤维直径的影响.