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激光毛化成形过程的数值模拟及实验研究

激光毛化成形过程的数值模拟及实验研究

作者：黄婷江苏大学

学位级别：硕士

具有毛化微凸起形貌的金属表面在工业上具有广泛的应用。激光毛化技术,由于可设计性和可控性好等独特优势,备受学术界和工业界关注。但是,由于激光毛化过程复杂,涉及因素众多,目前对激光毛化形貌的形成机理尚未完全明了,对形貌尺寸变化... 详细信息

具有毛化微凸起形貌的金属表面在工业上具有广泛的应用。激光毛化技术,由于可设计性和可控性好等独特优势,备受学术界和工业界关注。但是,由于激光毛化过程复杂,涉及因素众多,目前对激光毛化形貌的形成机理尚未完全明了,对形貌尺寸变化规律的研究也不充分。鉴于此,有必要对激光毛化成形过程进行数值模拟与实验研究,并深入探究激光毛化成形机理,掌握激光毛化工艺,该研究具有重要的理论意义与应用价值。本文以激光毛化45钢材料为研究对象,将数值研究和实验研究结合,深入研究激光诱导下毛化形貌的形成过程,分析了毛化形貌的形成机理。主要研究内容与结论如下:1、毛化凸起形成机理方面,以45钢为研究对象,采用二维轴对称模型,仿真脉冲激光作用下熔池内温度场、流体流向和流速的变化情况,据此研究了毛化形貌形成的微观机理和动态过程。结果表明:(a)张力温度系数为正的含硫材料,在加热过程中存在临界温度Tc,该温度处张力产生突变,超过该温度张力温度系数变为负值;(b)整个加热过程,低于临界温度的区域,切向应力为负,熔质流向熔池中心;表面高于临界温度,切向应力为正,熔质向边缘流动;表面存在两异向环流,则交界区域形成对流零点。同种环流,切向应力越大,对应的流速峰值越大;(c)温度超过临界温度后,表面会产生新环流,熔池形貌可能会从凸起转变为凹坑,且新环流流速越大,凹坑深度越深;冷却过程主要受法向应力的影响,同时受表面粘度的影响;冷却过程形貌主要受法向应力的影响,同时受表面粘度的影响。(d)S等活性元素会改变熔池表面的张力分布,是产生凸起状形貌的主要原因;(e)汽化热损失会降低靶材表面的温度,汽化热损失和反冲压力均会对形貌尺寸产生一定的影响,但并不是伴随汽化热损失凸起高度就一定会降低,需结合表面张力共同分析。2、通过数值研究和实验研究相结合的方式,研究了毛化凸起尺寸的影响规律。结果表明:(a)功率和脉冲宽度较小时,随着功率和脉冲宽度的增加,凸起高度会增加且增大速度较快,宽度呈线性增大;继续增大功率和脉冲宽度,表面温度接近临界温度,熔池中心的张力差值减小,凸起高度的增大速度减缓,宽度仍呈线性增大;进一步增大脉冲宽度和功率,材料汽化产生热损失和反冲压力,凸起宽度增大速率减小,在热损失、反冲压力和表面张力的共同作用下凸起高度降低,且激光参数越大,相较于张力的影响,汽化热损失与反冲压力的作用效果越明显;(b)增大功率,毛化形貌由球冠状变为“W状”,最终向火山口状演变,演变期间为中心带凸起的火山口状形貌,且中心凸起的高度随功率的增大不断降低,边缘高度逐渐增加,整体深度变大。

关键词：激光毛化数值模拟形貌演变反冲压力

粉末—胶层辅助激光焊钢/镁界面连接机理研究

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粉末—胶层辅助激光焊钢/镁界面连接机理研究

作者：李超湖南大学

学位级别：硕士

高强度钢和轻金属合金相结合是实现汽车轻量化的一种途径。汽车材料发展的多元化使得不同种材料之间的连接问题变得不可避免,其中之一就是钢与镁合金的连接。由于钢、镁熔沸点差异巨大,无法实现两者同时熔化。此外,镁在铁中不形成固溶体... 详细信息

高强度钢和轻金属合金相结合是实现汽车轻量化的一种途径。汽车材料发展的多元化使得不同种材料之间的连接问题变得不可避免,其中之一就是钢与镁合金的连接。由于钢、镁熔沸点差异巨大,无法实现两者同时熔化。此外,镁在铁中不形成固溶体,也不会生成金属间化合物,因此实现双相钢与镁合金的有效焊接较为困难。为探究实现钢/镁异种金属连接的新方法,文中拟用汽车用钢(1.4mm厚DP590)和镁合金(2.0mm厚AZ31)平板作为研究对象,提出钢在上,镁在下的搭接方案,同时在两者之间添加锡粉-胶层的光纤激光焊接工艺。采用光谱仪采集焊接过程中的焊接光谱,计算各元素电子密度,分析元素烧损情况;利用高速摄像机拍摄焊接飞溅特征,计算飞溅时反冲压力,分析飞溅特征与熔深之间的关系;采用带能谱(EDS)的环扫电镜与微机拉伸实验机分别检测焊接试样的显微组织与接头性能;采用基于COMSOL有限元软件数值模拟接头温度场分布,从接头力学性能、能量传递、焊缝形貌、接头微观组织等角度,研究胶层和粉末对钢/镁焊接部位的作用机制。以期望解决钢和镁合金异种材料的连接问题,同时为钢/镁结构件激光焊接的推广和应用提供实验依据。采用COMSOL有限元软件,建立双相钢/镁合金激光焊搭接焊的非线性的二维有限元模型,数值模拟钢/镁焊接接头的温度场分布。模拟发现锡粉-胶中间层模型中镁侧温度在镁合金沸点1107℃的范围比锡粉中间层模型中对应位置明显减少,温度在镁合金熔点650℃的范围在熔宽方向比锡粉中间层模型对应位置有所增加。钢侧熔池底部温度在钢熔点1538℃的范围比锡粉中间层模型中对应位置有所增加。这意味着,添加锡粉-胶中间层的焊件镁侧的熔深降低,熔宽增加,钢侧底部的熔池略有增加,这与实际实验数据一致。实验说明采用旋转高斯曲面体热源模型用于模拟钢/镁激光搭接焊接头部位温度场是合理的。进一步说明胶层在减少热量自钢板向镁合金传递的过程中,起到了较明显的阻热效果,从而形成较大的温度梯度利于双相钢和镁合金的同时熔化,增加了钢侧熔池底部和镁侧熔池的熔宽。胶层通过降低镁侧温度减少镁合金烧蚀、汽化产生的熔液飞溅现象,减小飞溅引起的反冲压力,从而影响焊缝的熔宽与熔深,同时胶层的搅拌使得钢侧熔池底部出现较多的镁元素。通过研究焊接接头部位的微观形貌,焊接熔池和钢/镁接头过渡区域未见大规模焊接缺陷;与锡粉中间层进行对比,锡粉-胶层组成中间层焊件的钢侧下表面和镁侧上表面的熔宽增加,镁侧熔深变浅;镁侧熔池区域生成呈柱状枝晶的MgSn,说明锡粉中间层实现了双相钢与镁合金之间的双向结合。

关键词：钢/镁异种金属激光焊接锡粉-胶温度场反冲压力数值模拟

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毫秒激光微织构点成形过程的数值模拟研究

毫秒激光微织构点成形过程的数值模拟研究

作者：朱东坡江苏大学

学位级别：硕士

表面的相互作用在工程应用中普遍存在,激光表面微织构技术应运而生。其中毫秒激光因其经济性好、效率高、加工出的织构点形貌种类繁多等特点,在模具、轧辊、轮轨、刀具等表面广泛应用。然而激光作用机理复杂,织构点形貌可控性差,因此需... 详细信息

表面的相互作用在工程应用中普遍存在,激光表面微织构技术应运而生。其中毫秒激光因其经济性好、效率高、加工出的织构点形貌种类繁多等特点,在模具、轧辊、轮轨、刀具等表面广泛应用。然而激光作用机理复杂,织构点形貌可控性差,因此需要通过数值分析的方法,建立数值模型研究毫秒激光作用下织构点的成形机理和演变规律,为微织构的主动设计提供指导。本文采用变形几何与水平集两种表面描述方法建立了激光烧蚀数值模型,分析了激光加工参数对火山口状织构点成形的影响和W状织构点中心凸起的形成机理和演变规律。本文主要工作内容以及所得结论如下:(1)应用Comsol Multiphysics软件分别采用变形几何法和水平集法,耦合传热与层流物理场,考虑热传导、热对流、热辐射、相变潜热、毛细压力、热毛细力、反冲压力和体积力等边界条件建立毫秒激光烧蚀模型。此外,在变形几何法模型中引用赫茨克努森方程添加烧蚀速度以实现蒸发去除。通过对两种建模方法结果的对比,可得知变形几何法和水平集法都适用于激光作用下熔池流动的研究,而变形几何法的准确性、效率要优于水平集法,水平集法的适用性更广。(2)采用变形几何法模型研究了火山口状织构点的成形规律,并通过试验验证了模型的准确性。研究发现当激光峰值功率密度升高或脉宽增大时,烧蚀速度对其成形的影响越来越显著,且火山口状织构点的直径和中心凹陷深度会随之近乎线性增长。而脉宽对火山口边缘凸起高度影响较小。激光加工时获得同样深度的火山口状织构点,采用更高的脉宽比采用更高的峰值功率密度会获得更大的重熔区。织构点中心凹陷深度随脉冲个数的增多近乎呈线性增长,而织构点直径的增长速度随之逐渐减缓。(3)采用变形几何法模型研究了激光作用下W状织构点的形貌演变规律,通过熔池温度场、流速、流向和表面受力的变化过程,分析了中心凸起的形成机理和激光加工参数对织构点形貌的影响规律。研究发现当峰值功率密度较低(I≤5×10W/m)且脉宽适中时(τ=1 ms),织构点中心有明显凸起出现,且凸起高度随着脉宽和功率密度的增大而减小并逐渐由W状形貌演变成火山口状形貌。在激光加热阶段熔池中心主要受反冲压力作用,表面轮廓的变化主要受其影响。而熔池尾部主要受热毛细力作用,促进流速的加快和环流的产生。在冷却凝固阶段初期熔池主要受毛细压力作用,熔融金属迅速回流向中部。织构点中心凸起程度与热毛细力和毛细压力的强弱有关。峰值功率密度增大、脉宽减小会使得冷却时熔池中心温度低于周围,熔融金属回流将受到热毛细力抑制,导致中心无法形成凸起。脉宽增大会使得熔池冷却期间出现两个异向环流,抑制熔融金属回流,导致中心凸起高度减小。

关键词：数值模拟激光微织构毫秒激光烧蚀速度反冲压力熔池流动

激光选区熔化单道熔池热动态演变模拟与实验研究

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激光选区熔化单道熔池热动态演变模拟与实验研究

作者：袁伟豪华中科技大学

学位级别：硕士

在激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)过程中,熔池的物理冶金行为对成形零件的性能具有重要影响。但是,由于熔池处于高速运动变化,采用实验实时观测熔池热动态演变较为困难,同时采用实验“试错法”表征成本高,不确定性大。因此... 详细信息

在激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)过程中,熔池的物理冶金行为对成形零件的性能具有重要影响。但是,由于熔池处于高速运动变化,采用实验实时观测熔池热动态演变较为困难,同时采用实验“试错法”表征成本高,不确定性大。因此,数值模拟成了揭示SLM熔池行为和特征的重要技术途径。本论文旨在通过模拟与实验相结合的方法,探究SLM工艺因素对熔池热动态演变的影响规律,为理解SLM冶金机理和优化其工艺提供理论依据。主要工作及结果如下。建模方面,采用离散元和计算流体力学的方法建立了SLM金属粉床模型和熔池物理模型,利用“射线-追踪”算法施加反冲压力和激光热源,使用流体体积(Volume of Fluid,VOF)法计算气液界面及其变化。另外,反冲压力和激光热源的施加基于“射线-追踪”算法。首先研究了激光扫描速度对熔池热动态演变的影响。根据熔池的温度演变、流动形式以及凝固后的熔池表面形貌(连续性、均匀性)和缺陷(球化、气孔)的形成,将熔池分为非稳态、过渡态和稳态三种状态;讨论了不同状态的熔池的演变规律及对成形块体致密度的影响。此外,发现反冲压力的存在对块体致密度的影响具有双重效果:既可以平衡表面张力,稳定熔池;也可能引发匙孔,导致孔隙缺陷。针对反冲压力的双重性,特别研究了其随工艺参数变化及其对熔池特征的影响。发现当激光线能量密度为定值时,扫描速度越大熔池凹陷越深,且决定了熔池的尺寸;当扫描速度为定值时,激光功率越大熔池凹陷越深,但对熔化道的宽度影响不大。熔池凹陷深度随时间在一定范围内波动,工艺参数的选择应保证熔池凹陷深度波动范围最小,并使凹陷深度尽可能小。另外研究了不同激光形式(高斯光和平顶光)对熔池演变的影响。发现平顶激光作用下,粉末从顶部开始熔化,熔体会出现球化倾向,基板的及时熔化会连接球状熔体形成均匀平坦的熔池。另外讨论了两种激光对定向晶成形的影响,发现高斯激光熔池内部熔体流速大,存在多个复杂环流;而平顶激光下,熔池横截面下半部分的熔体流速小于0.2m/s,且没有环流,更有利于晶粒连续、定向的外延生长。

关键词：激光选区熔化模拟与实验 VOF多相流反冲压力熔池演变高斯激光平顶激光

Ti6Al4V钛合金激光抛光过程的数值模拟及性能分析

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Ti6Al4V钛合金激光抛光过程的数值模拟及性能分析

作者：李凯湘潭大学

学位级别：硕士

激光抛光是一种基于材料快速重熔和再凝固的表面重构技术,可以有效地降低零件表面粗糙度,使其接近特征尺寸,广泛应用于金属和非金属材料的表面精密加工。然而,目前还缺乏对激光抛光机理的深入研究。本文以Ti6Al4V钛合金为研究对象,通过C... 详细信息

激光抛光是一种基于材料快速重熔和再凝固的表面重构技术,可以有效地降低零件表面粗糙度,使其接近特征尺寸,广泛应用于金属和非金属材料的表面精密加工。然而,目前还缺乏对激光抛光机理的深入研究。本文以Ti6Al4V钛合金为研究对象,通过COMSOL多物理场仿真软件,以非等温流接口耦合传热场和流场,建立了激光抛光表面浅熔融和表面过熔融机理的熔体动力学演变模型。主要研究成果如下。（1）基于静止热源建立了激光抛光表面浅熔融模型,模拟了Ti6Al4V表面波峰熔化并流向波谷的熔池形貌演变过程。描述了抛光过程中涉及的热传导、热辐射、热对流、熔化和凝固等复杂物理过程。揭示了毛细力和热毛细力在平滑熔池粗糙表面的主导机制。此外,研究了熔池深度和宽度与激光辐射时间的关系。结果表明,熔池深度和宽度随着激光辐射时间的增加而增大。同时,抛光后的表面形貌也变得更加光滑。（2）基于移动热源建立了瞬态二维模型来描述不同初始表面形貌对熔体动力学演变行为的影响。结果表明,表面峰谷分布的均匀性可以提高熔体流动的稳定性,获得较好的平滑效果。由于熔池冷却速率较高,熔体存活寿命缩短,从而导致波峰在毛细力和热毛细力的作用下无法完全消除。同时,熔体在双漩涡Marangoni对流作用下沿熔池边缘向两侧流动,导致在凝固表面起始和结束位置形成次生的凸起和凹陷特征。此外,预测的表面形貌与实验结果有较好的一致性。（3）基于静止热源建立了激光抛光表面过熔融模型,描述了过熔融抛光过程中表面形貌以及瞬态熔池动力学的演变。结果表明,在辐射表面温度低于蒸发温度时,熔体流动以热毛细力和毛细力为主。当抛光表面发生烧蚀时,局部表面材料蒸发产生向下的反冲压力将液态金属向外挤压,导致凝固后表面出现显著的粗糙特征。基于移动热源的表面过熔融抛光模型预测结果与实验结果更吻合。（4）为进一步了解激光抛光过程,探究了抛光工艺参数对表面质量的影响。结果表明,表面粗糙度随激光能量密度呈“U”型排列,抛光机理从表面过熔融过渡到表面浅熔融。通过抛光铣削表面验证了毛细力主要沿法向消除大曲率形貌,热毛细力沿表面切向进行平滑,两种作用力叠加会进一步提高平滑效果,验证了模型的正确性。此外,检测结果表明,表面浅熔融区域的晶粒细化使得抛光表面纳米硬度大幅度提高。同时,抛光与未抛光区域的元素分布具有一致性,且未发生表面氧化。

关键词：激光抛光毛细力热毛细力反冲压力表面粗糙度

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激光深熔焊中匙孔形成过程的动态模拟

焊接学报 2010年第11期31卷 38-40页

作者：汪任凭雷永平史耀武北京工业大学材料科学与工程学院北京100124

为了准确的模拟出激光深熔焊接中匙孔变化的动态过程,根据匙孔内激光的能量吸收机制,采用射线跟踪法产生热源,建立了激光深熔焊接过程中气、液、固三相统一的数学模型,并采用了VOF方法追踪自由液面,模型中考虑了表面张力、热浮力和反冲... 详细信息

为了准确的模拟出激光深熔焊接中匙孔变化的动态过程,根据匙孔内激光的能量吸收机制,采用射线跟踪法产生热源,建立了激光深熔焊接过程中气、液、固三相统一的数学模型,并采用了VOF方法追踪自由液面,模型中考虑了表面张力、热浮力和反冲压力的作用,通过数值计算得到了匙孔变化的动态过程与相应的温度分布.结果表明,匙孔形成的主要驱动力是反冲压力,在加热初期,激光主要用来加热金属基体,随着激光辐照时间的增加,熔池表面温度急剧升高,金属进而汽化,产生匙孔.针对304不锈钢的工艺试验表明计算结果与实际相符合.

关键词：激光深熔焊匙孔反冲压力数值模拟

铝合金激光深熔焊熔池小孔演变行为数值模拟研究

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建模与仿真 2023年第3期12卷 2330-2338页

作者：刘伟丁子珊赵云辉上海理工大学机械工程学院上海

高功率激光深熔焊接是目前工业应用当中最理想的先进技术。本文提出了一种三维数值模拟方法,考虑了作用在熔池小孔上的表面张力、反冲压力,利用VOF追踪气液界面,利用焓–孔隙度法解决焊接过程中熔化凝固问题,考虑了热对流、热辐射、小... 详细信息

高功率激光深熔焊接是目前工业应用当中最理想的先进技术。本文提出了一种三维数值模拟方法,考虑了作用在熔池小孔上的表面张力、反冲压力,利用VOF追踪气液界面,利用焓–孔隙度法解决焊接过程中熔化凝固问题,考虑了热对流、热辐射、小孔自由表面的多重吸收等传热过程,采用随小孔深度变化的旋转高斯体热源来简化焊接的过程。分析了熔池小孔的演变过程以及工艺参数对小孔形貌的影响,结果表明:熔池小孔的形貌变化是反冲压力作用的结果;焊接速度对熔池小孔的深度影响不大,焊接功率越大,熔池小孔的深度越深。

关键词：反冲压力激光深熔焊焊接速度焊接功率热对流自由表面表面张力气液界面