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.

摆动电弧窄间隙厚板焊接工艺与熔池演变数值研究

针对窄间隙摆动电弧焊接在不同工艺下熔池演变差异较大的问题,课题组以实际摆动电弧窄间隙焊接工艺为依据,综合考虑窄间隙焊缝的几何形貌对热源加载的影响,建立了70 mm厚板多层单道焊接数值模型;利用ABAQUS模拟了不同工艺条件下熔池的形成过程及熔池横断面熔合线走向规律。实验结果表明:电弧摆动频率为0.7 Hz时,使用17V电压及180 A电流焊接,单层焊缝会出现重熔现象,电弧运动状态对熔池形态影响较大;使用30 V电压及340 A电流焊接,熔池形态变化较小,熔合线走向平缓,电弧运动状态对熔池形态影响较小。

选择性激光熔化过程中熔池演变与金属飞溅特性数值模拟

选择性激光熔化(SLM)成形技术是新型增材制造技术的一个重要发展领域。通过建立用于选择性激光熔化成形的高保真粉末尺度激光熔化模型,展现了粉末层从开始熔化、熔滴飞溅到熔道成形、冷却凝固的全过程。熔滴飞溅行为是金属粉末层熔合工艺中难以避免的成形缺陷来源,借助数值模拟手段还原了激光熔合过程中飞溅现象的演变过程,克服了实际实验难以捕捉到熔池内部及熔滴飞溅行为定量表征信息的难题,获取了熔融液滴飞溅的变形机制以及飞溅过程中随时间变化的温度、速度、压力、位置偏移等信息。结果显示,金属蒸气作用与惰性气体流动共同驱动了熔池流动与熔滴的飞溅行为,高温熔体流速为1~6m/s,熔滴飞溅速度为1~4m/s。随着工艺参数的调整,飞溅熔滴的体积形态与飞溅方向均发生变化。结合实验分析,追踪了熔滴飞溅的运动轨迹以及熔滴在空中飞溅时的“二次爆炸”与“旋球”行为。该研究补充了实际实验对于飞溅行为的分析理解,通过提取飞溅物完整寿命周期能量吸收耗散的量化信息,进一步促进了激光熔合过程中复杂的流体流动与飞溅现象的动力学表征。

多光束激光选区熔化拼接区域熔池动力学行为数值模拟

目的 针对多光束激光选区熔化加工拼接重叠区域的质量控制难题,研究拼接重叠区域的缺陷形成机理与控制手段。方法 通过建立激光选区熔化介观尺度高保真数值模型,基于流体体积法和射线追踪热源,还原粉末熔化凝固的加工过程,研究不同加工参数下拼接重叠区域熔池动力学和激光反射吸收行为,并对比分析拼接重叠区域和非拼接重叠区域激光-材料能量耦合机制。结果 在拼接重叠区域大小不同的情况下,重叠区域长度分别为160、200、240μm时,其拼接重叠区域熔道宽度宽于非拼接重叠区域,拼接重叠区域与非拼接重叠区域存在高度差,且重叠区域的全局激光吸收率要高于非重叠区域,其中重叠区域皆有孔隙缺陷,重叠区域240μm长度方案下的全局平均吸收率达到最高(0.417 56)。在拼接重叠区域长度为240μm、扫描速度为0.9 m/s和1.2 m/s时,由于获得的能量低于扫描速度为0.6 m/s时的能量,其重叠区域不存在孔隙缺陷。结论 拼接重叠区域的表面形貌和孔隙缺陷与熔池动力学和激光反射吸收行为密切相关,合适的加工参数可以改善拼接重叠区域的成形质量。

斜面多道熔覆涂层平整度的数值模拟与试验研究

目的揭示扫描方式、基材倾角、搭接率对斜面熔池成形的影响规律,提高斜面多道搭接涂层的平整度。方法采用数值模拟探究激光扫描方式、基材倾斜角度、搭接率对倾斜基材表面熔覆涂层平整度的影响机理,并结合正交试验进行验证。结果模拟所得平整度随扫描方式、倾斜角度、搭接率变化规律与试验一致。激光扫描方式对水平基材的多道搭接平整度无明显影响,但对倾斜基材表面的多道平整度影响显著。相同扫描方式下,不同倾斜角度的基材适应的搭接率不同。结论相比其他扫描方式,扫描方式1(SM1)和扫描方式5(SM5)得到的熔覆层平整度和熔覆效率相对较高。平整度和熔覆效率随基材倾斜角度的增大而逐渐减小。以扫描方式5进行熔覆时,水平基材最佳搭接率为30%,基材倾斜40°时最合适的搭接率为15%~20%。显然,倾斜角度和搭接率的交互作用对平整度影响显著。

消弧装置CuW电极微观侵蚀仿真与实验

针对高速大电流下CuW电弧侵蚀斑点的形成和发展,基于纳维-斯托克斯方程(N-S方程)、麦克斯韦方程组构建二维轴对称磁流体动力学模型,考虑金属材料在高压作用下沸点迁移和蒸发带走的热量及金属蒸汽的反冲压力,描述CuW合金在电弧侵蚀下熔池形成的动态演变过程,通过等效热熔法描述金属相变,用动网格描述CuW电弧斑点侵蚀面演化,模拟CuW金属界面烧蚀过程,根据温度分布、烧蚀坑形貌分析电弧的热、力作用对Cu-W两相材料熔池溅射及侵蚀的影响。电弧光斑转移后,对比了不同Cu粒径大小的Cu(X)W合金的电弧侵蚀、熔池溅射过程。结果表明:在电弧侵蚀过程中,W相分布对熔池扩散有明显的抑制作用,Cu(2.0)W合金烧蚀过程中,溅射角度及速度可达52.5°和120 m/s,烧蚀形貌更为均匀,最大程度避免局部区域严重侵蚀而导致材料失效现象。在两Cu相光斑相距较近时,邻近侧熔融Cu液滴溅射角度会相应增大10°左右。与电弧烧蚀后合金的微观形貌进行比对,验证了模型的可靠性。