采用FLUENT软件建立钛合金激光熔覆熔池的数学模型, 对高强度激光辐射下熔池的产生和发展进行数值模拟, 分析了激光辐照时间对熔池表面温度场、流场速度分布的影响, 对模拟结果和实际熔池的宽度与深度进行比较。结果显示, 激光熔池在0.1 s之内, 熔池温度、流动速度和几何尺寸急速增大, 0.2 s之后, 熔池的最大温度和最大速度趋于稳定, 激光能量源呈高斯模式下激光熔池表面中心温度最高, 近边缘处的流体速度最大。由于熔池自由表面的波动和外溢飞溅等现象, 模拟熔池宽度明显大于实际熔道。

采用类金属透明模型合金SCN-Eth合金, 在自主搭建的激光熔池凝固过程宏微观实时观察平台上, 研究了激光重熔过程中熔池宏微观形态演化规律。研究发现, 随着激光束扫描的进行, 熔池及其热影响区的宏观形态都先从圆形变为椭圆形, 最后演化为尾部呈“V”形的泪滴状。随着激光功率的增加, 稳态熔池长度L、宽度W、尾部夹角α均增加; 随着扫描速度的增大, 稳态熔池长度L、宽度W、夹角α均减小; 熔池长宽比随功率的增加而增大, 随扫描速度的增加先增大后减小。从熔池中部到熔池尾部液固界面形貌依次呈平面→胞晶→枝晶演化, 胞晶和枝晶一次间距不同, 浅胞间距约为28 μm, 深胞间距约为42 μm, 枝晶间距约为65 μm, 胞枝晶一次间距沿固液界面增大。

建立了描述电磁搅拌辅助激光熔凝过程的电磁场和流场的三维数学模型，采用有限元和有限体积结合的方法实现激光熔池中电磁场与温度场及流场的耦合模拟分析，研究了电磁场对激光熔池流场与温度场的影响。结果表明，电磁力在水平面上呈周向分布，切向电磁力的大小从熔池边缘到中心递减；在旋转磁场的作用下，熔池内温度略有降低，温度梯度减小；熔池内液体趋向旋转运动，速度场分布与电磁力相似；熔池纵向环流增加，使熔池内的熔体对流加剧，有利于传热，加快冷却；激励电流大小对电磁场和熔池流场有明显影响。为激光加工提供理论参考。

详细介绍了在ANSYS软件平台上,建立连续移动三维瞬态激光熔池温度场计算模型的方法,计算模型中考虑了材料表面温度对激光吸收率的影响及材料相变过程对激光熔池温度场的影响。系统分析了连续移动三维激光熔池温度场随时间的变化规律。通过该计算模型,可以掌握激光加工过程中连续移动激光熔池的加热和冷却规律。计算结果表明,当激光沿45#钢基板表面由一端向另一端沿直线扫描时,由于热传导的作用,激光熔池温度随时间增加而升高,同时连续移动熔池表面温度最高点不在激光束中心,而是稍稍偏后于激光束中心。在相同激光工艺参数下,计算熔池横截面尺寸与实验所测熔池横截面尺寸相吻合,表明所建立的连续移动熔池温度场计算模型是正确和可靠的。