激光表面熔凝多相区统一模型及数值分析.pdf

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1、第卷第期中国激光年月文章编号!激光表面熔凝多相区统一模型及数值分析刘振侠!黄卫东西北工业大学凝固技术国家重点实验室陕西西安摘要建立了移动光源下三维瞬态对流扩散固液糊状区及相变多相区统一的激光熔凝数学模型该模型主要解决了已往模型必须将固态和液态分开计算然后进行耦合且不能计算糊状区的缺陷这种方法能够反映糊状区的存在及固液相变过程中潜热的吸收和释放的影响且在计算过程中自动跟踪糊状区位置无须人为划分相区根据数学模型的特点建立了一套固定网格的数值求解方法通过熔池深度的计算与实验值的比较验证了模型的正确性进一步研究了表面张力浮力等驱动力与激光熔池形状几何尺寸的关系计算结果指出表面张力和浮

2、力驱动熔池内熔体的对流存在一次环流和二次环流一次环流使熔池变宽变浅二次环流使熔池底部出现凹坑实验印证了计算结果关键词激光技术熔池糊状区相变环流中图分类号文献标识码激光熔凝过程中高能激光束在基体表面扫过态金属有明显的甚至是剧烈的宏观运动熔池外固形成熔池熔池中金属是液态熔池外金属是固态态区则不然糊状区的情况介于固液态两者之间介于其间的是糊状区对于固相液相和糊状区描一般多采用多孔介质模型进行描述述它们的动力学和热力学方程是不同的在熔池内描述这一复杂多样的物理过程的数学模型中的液相区能量的传输既有扩散又有对流换热而在有些数学模型将固相和液相用熔点的等温熔池外的固相区只有扩散的传输方式

3、熔池内液线面分开然后分别写出两个相区的控制方程进收稿日期收到修改稿日期基金项目国家重点研究发展规划资助项目作者简介刘振侠陕西省西安市人西北工业大学副教授博士主要从事流体传热计算及材料激光加工技术等的研究中国激光卷行求解并在这一界面上进行耦合这种方法无法反映糊状区的存在及固液相变过程中潜热的吸收和释放的影响另外在耦合计算过程中每次迭代都必须重新寻找等温线面并且这一曲线面本身也必须参与整个迭代计算增加了计算的困难及影响计算结果稳定的变数本文建立了移动光源下三维瞬态对流扩散固其中分别为速度矢量在轴上的投液相变统一的激光熔凝数学模型控制方程组以整影为显焓为压力分别为液相粘性系数和个基

4、体为对象无需人为划分相区模型考虑了糊状热扩散率为导热系数为比热方程区及相变潜热的影响通过数值计算和实验重点中的是源项讨论了表面张力温度系数对熔池形状流场和温度速度!焓与固相分数的关系场的影响模型中控制方程组对整个计算区域成立即将计算区域看成是多孔介质连续体各相区的空隙率统一模型或固相分数不同在纯液相区在纯固相区在糊状区为保证方在激光熔凝过程中基体上发生着熔化凝固程形式在三个相区的一致性同时又体现各个相区固液相变过程存在三个不同的区域统一模型的本质差异还需要对各方程的源项进行处理就是将固体液体和糊状区的控制方程以一个统一能量方程是以显焓的形式写出的而材料的的形式表达出来并且考虑

5、其中的相变问题总焓多孔介质中为混合焓为基本假设和控制方程对一个以二元合金组成的具有相变特点的体为潜焓即总焓为显焓和潜焓之和其中系采用如下假设液相为层流不可压粘性牛顿流体潜焓在糊状区相变过程中起重要的作用一般认为材料的物性参数值不随温度变化且固液是温度的函数态条件下取值相同只是在考虑浮升力的作用时认为密度随温度变化亦即采用假设糊而且与糊状区的液相分数有关状区被视为具有各向同性渗透率的多孔介质其中为相变焓是当地固相分数为液相线温度为固相线温度图坐标系一般来说固相分数与当地的温度关系有阶跃型线性型和型这里采用线性关系即根据图的坐标系得到以下方程组能量方程中固相中应该没有对流输运项这

6、时方程左端第三项为零糊状区的速度与多孔介质的孔隙率有关液相时即为液态金属的流动速度因此有期刘振侠等激光表面熔凝多相区统一模型及数值分析其中为液相表观速度计算结果及讨论源项处理动量方程中的源项用于考虑由于温度不同以算法为基础建立了针对控制方程组固定网格的数值解法为了验证模型与算法的正确造成液态合金密度的不均匀所诱导的浮升力的影性首先计算了在激光功率一定响采用假设可以表示为时不同扫描速度下熔池最大深度图是激光功率为时扫描速度与熔池深度的关系计算其中为热膨胀系数为显焓参考值为重力条件与实验条件完全一致可以看出在所做实验的加速度显然这一项只在重力方向存在其他方向扫描速度范围内计算结果

7、与实验结果吻合得较好没有还计算了负表面张力温度系数下表面张力梯度则用来修正方程使之适用于糊状区和浮力驱动的熔体对流对熔池形状的影响计算材在模型中将源项定义如下料为其表面张力温度系数计算区域为其中的长方体光斑直径为激光强度分布均匀激光功率为网格划分时在靠近基体上为与糊状区枝晶形貌有关的常数仅是一个避免表面进行网格加密分母为零的计算常数通常取很小的值例如能量方程的源项为边界条件假设激光能量均匀分布这时热流密度为其中为激光热源输入功率为光斑半径为材图熔池深度与扫描速度的关系料表面对激光的有效吸收率上表面其他区