激光加工溶池内熔化与凝固过程数值模型的研究.pdfVIP

中田工程釜暂理自烩 传热抟曩学拳木全谈知∞姗5 蠢光加工溶池内熔化和凝固过程数值模型研究 杨立新彭晓峰 (清华大学热能工程系．北京1000聃舛雌柚鲫脚uedlLcn) m蔓l本文将固藏界面熔融区处理为多孔舟质。并通过引入藏相分数标量，建立了 藏体区和固体区统一的控制方程，实现7藏体与固体区蕞耦台求解以及焙化过程和凝 固过程同时求解．通过对A塔1304不错钢材料嫩光加工过程的数值模拟，详细分析比 较了热传导、M蝴Ⅱ驴面和热浮力三种不同换热机理对溶池形状和溶池内流动的影响． 关键词：f熔化，凝固，激光，Ma咖眇Ili流，敦值分析^_一 ● t 1．介龋 ● 金■材料通过衰面高能柬热处理，改变熔化区材辩的教观结构和材料性能．研究 激光柬作用下韵熔体流动特征，如溶池形状，温度梯度，局部冷却速率，和凝固的晶 体组织等．是—个更好地理解和掌握液体相变和凝固组织形成规律的基础． 近年来，有许多研究者致力于通过数值模蔓来模拟t先加工过程的培池特性．然 而，目前文献中多采用藏体区和固体区分开求解的方式【l】，熔化界面作为穆动边界条 件处理，这种方法存在三个主要的缺点：首先是流动区初始涪池的确定闯置，不同的 韧始溶池形状的慑设将决定不同的数值模拟结果伫】；其次是对合金熔化时MI瑚珥区处 理的困难；第三，流体和固体分析域随界面移动变化相应地计算嘲格重新划分的工作 量I童之增大． 遁过引入藏相分羲标量，将潜热应用热焓源项加入麓量守街方程．应用。嘲’ 蔫项加入霉b量方穗．建立统一的液体和固体的连续方程，动量方程和蓖量守暂方程， 而暑熔化和囊固过程可以同时束解．应用滚楱塑进行蟠l304不锈锅材料激光加工过 程的蠹值劐奠．详细分析女*传导，M船m鲫i和热浮力三种挟热机制对熔化耜凝固过程 善池帕藏动和挟热髟响． 2．计算艟 2．1控■方曩 言魄m+V·瓴玑m；籼 (1) ● 言‘p，蚰+V·嘛u，f5)=札 G) ● 按固、藏相体积分数，乓和屯，连续方箍可衰示为： 儇设相密度pI和pL相等；上述两个方程可以合并为： 所以麓量方程曩终表示为： p等+可·cp两=V·c胛n一《刳 (5) 凡=仃一砖)，帆一A) 旧 l一}s=、 ∽ s 鳓 H=}LHL+}sH 1 霉 应用‘呻’源项近似来描述删埘ly区．在动量方程中加入阻力谭项，阻力与局部液 相分数成正比。完全液体区域，该项为0．即对流动没有影响．完全周体区域．阻力项 ：● 足够大使固相区速度为0．所以这种mIl咖，区的模型类似一种多孔介质形式．动量方 程表示为； 警+V·(p舀。_)=j+V·口一莹孑 (9) ‘。arcy’源相做为一种体积力加入·式中·足=正饥D(1一乒)2] 其中D的取值取决于物性，本计算取为lE．8． 2．2边界条件 边界条件如衰I所示，其中A到F对应圈l中的标识。激光热流分布取自文献【3】， 表1边界条件 表2计算工况