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。

为了提高材料的熔覆层性能, 采用图像处理技术对激光熔池温度场进行了检测。利用彩色CCD工业相机采集图像数据, 运用中值滤波方法去除图像噪声; 处理后的图像数据经过高精度HG-2标准高温黑体炉标定后得到温度拟合公式。通过图像处理将原始图像转化为伪彩色图像, 能够较好地反映熔池各个区域的温度分布及变化规律。结果表明, 通过拟合公式计算得到的温度与实际温度最大误差为1.23%。检测精度满足现场需求, 实现了对熔池的温度检测。

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。

在静态磁场辅助激光加工过程中,熔池内部流场、热场等实验测定比较困难,因此采用数值模拟方法计算相关参量场完整信息。以固液多相统一模型为基础,同时考虑激光熔池内部固液相变、传热与流动、表面张力、热浮力以及洛仑兹力,研究静态磁场对电磁-激光复合熔凝过程中流场的控制机理。通过COMSOL Multiphysics软件对上述物理过程的控制方程及边界条件进行耦合求解,模拟磁场强度在0.0～0.6 T范围内熔池速度场、温度场演变规律。模拟结果显示,静态磁场对速度场具有抑制作用,但对温度场影响较小。最后以316不锈钢为基体进行验证实验,对比试样表面温度随时间变化曲线,证实计算结果与实验结果吻合度较好,表明该数学模型具有一定精度,能为电磁复合激光加工工艺提供指导。

基于光内同轴送粉激光快速成形工艺, 建立了熔池温度场瞬态有限元模型, 对占空比 K(环形光内外径之比)可变的环形激光光内送粉的熔池温度场的数值模拟表明：占空比的变化对环形激光光内送粉熔池的形状、大小和能量密度分布有很大影2, 00.350.6CCDK取, 对比：各响。在相同工艺参数条件下为、、分别进行单层熔覆实验熔池图像与对应温度场云图结果显示, , contrastCCDimageofmoltenpoolinthecorrespondingtemperaturefieldimage,theresultsshowedthat:theimagesareclosetothenumericalsimulationnephogramsandthendemonstratethatthenumericalsimulationsareright.Experimentsshowthatwhen is0.35, K thecladdinglayersmicrostructureisbetter,thecladdinglayerandthebaseofmetallurgicalcombinationeffectisgood.ringlaserdutycycleinside-beampowderfeedinglasermoltenpooltemperaturefieldKeywords ; ; ; ; 0引言从而影体的融化过程和凝固过程响成形件的壁厚, [45]光内同轴送粉激光熔覆成形工艺具有粉流稳和质量。, , 光粉动态耦合性好粉末利用率定易控发散小本文采用自主研发的光内送粉熔覆成形工艺, , [1]高可以实现绿色制造等优点应用前景广阔, 其装置针对环形激光“占空比可变, 光斑能量分布可, , , Ansys[2]核心在于通过光学变换获得环形中空激光束。环控”的优势运用有限元分析软件, 对变占空比, 探形激光光束作为一种在传播方向上中心光强或轴中空激光光内送粉熔覆熔池温度场进行研究讨, 向光强为零的光束除了功率密度和光束发散角等了占空比的变化对熔池的形状、大小和能量密度分, 、激光束的一般参数外还具有暗斑尺寸环形光束布的影响; 通过熔覆成形过程温度场数值模拟探, , KKdddd占空比( 1/21表示光圈内径2表示光圈讨整个快速原型过程中温度场的变化和分布趋势＝, , , [3]外径)等特征参数。在其它工艺参数一定的情况探寻较为理想的占空比范围通过设计三种不同占; 与数下粉气两相流参数和环形光束的占空比变化决定空比的环形光进行光内送粉熔覆实验值模拟, , 了成形过程中熔池内的温度场的变化, 直接影响粉的结果对照比较得出研究结论。为保证激光熔覆,熔池形貌与对应的数值模拟温度场云图比较一致, 从而印证了数值模拟的正确性。实验表明：K为 0.35的环形光所得的熔覆层微观组织较佳, 熔覆层与基体的冶金结合效果较好。

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。

建立了带有移动热源的激光熔池流体流动及传热过程三维非稳态数学模型.采用自适应网格技术离散求解动量方程,计算出了不同时刻激光熔池温度分布和速度分布.结果表明,激光熔池对流传热非稳态过程是一个预热过程,随着时间的推移,熔池最高温度不断升高,熔深和熔池半径不断增大.非稳态过程按时间先后次序分为3个阶段:初始阶段(加热熔化阶段)、准稳态阶段和快速升温阶段.准稳态阶段熔池形貌、温度分布和速度分布增加幅度不大,且持续时间比另两个阶段长,说明三维准稳态模型是三维非稳态模型的较好近似.计算结果与已有的实验结果相比大体吻合.