非水平熔池中激光内送粉变姿态熔覆流场的数值模拟-论文

简介：
本文通过数值模拟研究了非水平熔池中激光内送粉变姿态熔覆时的流场特性，旨在优化加工工艺参数。 ### 激光内送粉变姿态熔覆非水平熔池流场的数值模拟 #### 研究背景与意义 本研究针对激光内送粉变姿态熔覆技术中的非水平熔池流场进行了深入探讨。作为一种重要的表面改性技术，激光熔覆在材料修复、再制造领域具有广泛的应用前景。然而，在实际应用过程中，由于工件形状的复杂性和安装位置限制，往往难以将待处理表面调整至水平状态。因此，如何确保非水平状态下良好的成形质量成为亟需解决的问题。 #### 主要研究内容 1. **喷嘴流场模拟与粉末分布规律** - 利用FLUENT软件中的离散相模型(DPM)对喷嘴流场进行模拟，以了解粉末在熔池内的分布规律。 - 粉末频次分布显示了“中间均匀、两端密集”的特点，这一发现对于优化粉末分布至关重要。 2. **熔池流场计算** - 采用流体体积法(VOF)耦合熔化凝固模型来模拟熔池内部的流动情况。 - 引入质量源项和能量源项分别表示同步送粉过程与激光热输入，以准确描述实际工艺流程。 - 对不同姿态角度（30°、60°及90°）下的流场进行数值计算，分析其变化特性。 3. **熔池流场特征分析** - 熔池内的流动呈现“双环流”特点：从中心向边缘的流向会因重力影响发生偏转。 - 随姿态角度增加，熔池中心处的偏转角分别约为2°、4°和6°。 - 倾斜程度提高导致熔覆层高度上升而宽度减小，顶点位置也相应移动。 4. **实验验证** - 通过激光内送粉工艺进行实际测定以检验数值模拟结果准确性。 - 实验数据与模型预测相符，证明了该方法的有效性。 #### 技术难点与解决方案 - 非水平状态下熔池流动特性分析：调整参数并考虑重力作用影响，实现对非水平熔池流场特性的准确模拟； - 同步送粉和激光加热过程耦合：通过引入质量源项和能量源项来模拟粉末添加及热输入。 #### 结论与展望 1. **研究结论**： - Marangoni应力导致了“双环流”分布特征，即熔池内从中心向边缘的流动； - 熔池流动方向受重力影响而偏转； - 基板倾斜角度增加时，熔覆层高度上升、宽度减小且顶点位置移动。 2. **未来研究方向**： - 进一步优化粉末分布规律以提高成形质量。 - 探索复杂工件形状和安装条件下熔覆层的性能表现； - 开展更大规模的实际应用测试验证该技术在工业生产中的可行性。 本研究表明，通过数值模拟揭示了激光内送粉变姿态熔覆非水平基面下流场的关键特征及其随角度变化的影响机制。这不仅为提高复杂工件表面成形质量提供了理论基础和技术指导，也对推动这一技术的实际应用具有重要意义。