激光熔覆
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激光熔覆的視頻教程
Comsol熱流相變+動網(wǎng)格仿真激光熔覆
激光熔覆（Laser Cladding）亦稱激光熔敷或激光包覆，是一種新的表面改性技術(shù)。它通過在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之與基材表面薄層一起熔凝的方法，在基層表面形成冶金結(jié)合的添料熔覆層。 本次分享的案例采用comsol的熱流相變+動網(wǎng)格仿真激光熔覆 注意：為了增加相變界面的平滑，需要加密網(wǎng)格導(dǎo)致計算需求資源較大。
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繞圓柱路徑的激光焊接/熔覆/修復(fù)案例講解
纏繞圓柱體路徑的高斯移動熱源熔覆案例，詳細(xì)講解了如何快速制作繞圓柱的“生死單元”模型，通過加載APDL和生死單元設(shè)置對圓柱管進行修復(fù)仿真。 課程分為兩節(jié)。 第1節(jié)主要講解如何快速地進行繞圓柱熔覆的生死單元建模； 第2節(jié)主要講解在workbench中，對纏繞圓柱路徑的激光熔覆仿真進行詳細(xì)講解。
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激光熔覆的實例教程
一.激光熔覆特點
1.技術(shù)特點
激光熔覆最重要的特點是熱量集中、加熱快、冷卻快、熱影響區(qū)小，特別對不同材質(zhì)之間熔融有著其它熱源無法比擬的特點，也正是這一特殊的加熱和冷卻過程，在熔鑄區(qū)域產(chǎn)生的組織結(jié)構(gòu)也不同于其它熔覆（如噴焊、堆焊、普通焊接等）手段，甚至可以產(chǎn)生非晶態(tài)組織，特別是脈沖激光更為明顯。
這就是所謂激光熔覆無退火、不變形的原因，但我以為，這只是從工件整體宏觀講，而當(dāng)你對熔覆層和熱影響區(qū)進行微觀分析時，你會看到另一種景象。
2.設(shè)備特點
激光熔覆，目前國內(nèi)采用兩種機型：CO2激光器和YAG激光器。前者為連續(xù)輸出，熔覆功率一般在3KW以上；YAG激光為脈沖輸出，一般在600W左右。
對于設(shè)備，一般使用者很難吃透，嚴(yán)重依賴生產(chǎn)方的服務(wù)，購買價格昂貴，維護成本、零部件價格很高，再加上設(shè)備穩(wěn)定性和耐受性與國外比較普遍都有差距，因此，激光熔覆機一般用在特殊領(lǐng)域，普通工業(yè)制造、維修領(lǐng)域難有效益。
3.工藝特點
（1）前期處理
激光熔覆，一般只需將工件打磨干凈，除油，除銹，去疲勞層等，比較簡單。
（2）送粉
CO2激光器功率較大，一般用氬氣送粉；YAG激光功率小，一般用自然落粉的方式。這兩種方式在熔覆時都基本在水平位置形成熔池，傾斜稍大粉末便不能正常送達(dá)，激光的使用范圍受到限制，特別是YAG激光器。
（3）從熔池形成的狀態(tài)看
由于激光的控制精度高，輸出功率恒定，且沒有電弧接觸，所以熔池大小深度一致性好。
（4）加熱快、冷卻快
影響金屬相形成的均勻度，也對排氣浮渣不利，這也是造成激光熔覆形成氣孔、硬度不均的重要原因，特別是YAG激光傾向更嚴(yán)重。
（5）材料選擇
由于不同材料對不同波長激光的吸收能力不同，造成激光熔覆材料選擇限制較大，激光更適于鎳基自熔性合金等一些材料，對碳化物、氧化物的熔覆更困難一些。
展開 激光熔覆與工業(yè)中常用的堆焊、熱噴涂和等離子噴焊等相比，激光熔覆有著下列優(yōu)點：
基體與熔覆層結(jié)合強度高、熱影響區(qū)小、熔覆層與基體晶粒細(xì)小效率高、節(jié)約昂貴材料、可制備梯度功能材料、激光熔覆技術(shù)可控性好，易實現(xiàn)自動化控制，覆層質(zhì)量穩(wěn)定。
超高速率熔覆技術(shù)是通過同步送粉添料方式，利用高能密度的束流使添加材料與高速率運動的基體材料表面同時熔化，并快速凝固后形成稀釋率極低，與基體呈冶金結(jié)合的熔覆層，極大提高熔覆速率，顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化等工藝特性的工藝方法。
適用于電力、航空、航天、兵器、核工業(yè)、汽車制造業(yè)中需要改善性能的零件。根據(jù)工件的工況要求，熔覆各種設(shè)計成分的金屬或者非金屬，制備耐熱、耐磨、耐腐蝕、抗氧化、抗疲勞或具有光、電、磁特性的表面覆層。
超高速激光熔覆技術(shù)是一種經(jīng)濟效益很高的新技術(shù)，它可以在金屬基材上制備出高性能的合金表面而不影響基體的性質(zhì)，降低成本，節(jié)約貴重稀有金屬材料，因此，世界上各工業(yè)先進國家對激光熔覆技術(shù)的研究及應(yīng)用都非常重視．
熔覆工藝：激光熔覆按熔覆材料的供給方式大概可分為兩大類，即預(yù)置式激光熔覆和同步式激光熔覆。
預(yù)置式激光熔覆是將熔覆材料事先置于基材表面的熔覆部位，然后采用激光束輻照掃描熔化，熔覆材料以粉、絲、板的形式加入，其中以粉末的形式最為常用。
同步式激光熔覆則是將熔覆材料直接送入激光束中，使供料和熔覆同時完成。熔覆材料主要也是以粉末的形式送入，有的也采用線材或板材進行同步送料。
預(yù)置式激光熔覆的主要工藝流程為：基材熔覆表面預(yù)處理－－－預(yù)置熔覆材料－－－預(yù)熱－－－激光熔化－－－后熱處理。
同步式激光熔覆的主要工藝流程為：基材熔覆表面預(yù)處理－－－送料激光熔化－－－后熱處理。
展開 他介紹：“普通的激光熔覆技術(shù)速率是0.5—2米/分鐘，而超高速激光熔覆技術(shù)可達(dá)到50—200米/分鐘，鍍層速度至少提高了100倍。超高速激光熔覆技術(shù)的另一個優(yōu)點是：目前可以在零件表面制備大規(guī)模的同成分涂層，這將有可能生產(chǎn)出在生命周期內(nèi)不會磨損的創(chuàng)新零件。”
目前，北京煤礦機械裝備有限責(zé)任公司正計劃與中國機械科學(xué)研究總院以及亞琛聯(lián)合科技公司開展三方戰(zhàn)略合作，針對煤機液壓支架立柱表面的耐腐蝕涂層制備技術(shù)進行工藝研發(fā)。該技術(shù)以10倍以上的效率在零件基體上制備了不同厚度的耐腐蝕涂層，已經(jīng)通過標(biāo)準(zhǔn)鹽霧試驗測試(GBT 10125-2012)，耐腐蝕性評級達(dá)到國標(biāo)(GB_T6461-2002)9級水平。
“我們有產(chǎn)品升級和制造技術(shù)提升、淘汰落后技術(shù)的需要。超高速激光熔覆技術(shù)在高質(zhì)量性能基礎(chǔ)上的高效率、成本適中和制造過程中的綠色環(huán)保，以及技術(shù)今后的拓展空間讓我們感興趣。”杜春海表示，“其在增材制造、零件再制造以及復(fù)合性能材料研發(fā)、高端零件價值性能提升和降低成本等方面都有著廣闊的應(yīng)用前景，將進一步提升我國制造行業(yè)的水平。”
經(jīng)過半年的奮戰(zhàn)，全球第一臺超高速激光熔覆設(shè)備已由亞琛聯(lián)合科技公司按照中國機械科學(xué)研究總院先進制造技術(shù)研究中心的技術(shù)需求交付完成，第一臺樣機將用于中德雙邊開展大量的可行性研究以及小批量生產(chǎn)。“相信不久大家就可以看到超高速激光熔覆技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用實例。”王淼輝認(rèn)為，超高速激光熔覆技術(shù)的發(fā)明是增材技術(shù)發(fā)展歷程中的革命性一步，它在未來將會極大地刺激金屬3D打印技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
2015年全球鍍硬鉻市場約為136億4000萬美元，而熱噴涂市場達(dá)75億6000萬美元。保守計算，如果超高速激光熔覆技術(shù)可以捕捉到10%份額的市場，這種新工藝就可以擁有20億歐元的年市場容量。
展開 激光熔覆（Laser Cladding）是一種表面改性技術(shù)，是金屬增材制造中廣泛使用的一種技術(shù)。激光熔覆通過在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之與基材表面薄層一起熔凝的方法，在基層表面形成與其為冶金結(jié)合的熔覆層。
激光熔覆技術(shù)是一種經(jīng)濟效益高的技術(shù)，它可以在廉價金屬基材上制備出高性能的合金表面而不影響基體的性質(zhì)，降低成本，節(jié)約貴重稀有金屬材料。與堆焊、噴涂、電鍍和氣相沉積相比，激光熔覆具有稀釋度小、組織致密、涂層與基體結(jié)合好、適合熔覆材料多、粒度及含量變化大等特點，而且可控性好，可實現(xiàn)三維自動加工，加工質(zhì)量高。但是在激光熔覆的制造過程中仍存在一些不可預(yù)測的失敗的情況。
根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，日前有研究人員發(fā)表了題為“On the role of capillary and thermo capillary phenomena on microstructure at laser cladding.” (激光熔覆微結(jié)構(gòu)中毛細(xì)和熱毛細(xì)現(xiàn)象的作用) 的論文，提出了一種可用以優(yōu)化和規(guī)劃激光熔覆工藝的方法。
一種預(yù)估熔覆層微觀結(jié)構(gòu)的模型
研究人員認(rèn)為激光熔覆過程中熱質(zhì)傳遞的直接數(shù)值模擬（DNS）是該技術(shù)中尋求最佳加工參數(shù)的經(jīng)濟有效的方法。應(yīng)用DNS，可以在工藝規(guī)劃階段就識別失敗區(qū)域，提高激光熔覆增材制造的質(zhì)量和靈活性。
研究人員開發(fā)了一種耦合的熔覆模型，可以幫助他們模擬出熔覆層的微觀結(jié)構(gòu)，充分研究激光作用后的流體動力學(xué)現(xiàn)象，同時研究熔體和基底的已知接觸角對其的影響。
根據(jù)Kolmogorov-Johnson-Mehl-Avrami（KJMA）方程，動力學(xué)過程具有不均勻的成核和生長速率，該模型研究了熔融粉末在具有不同接觸角度的基底上的擴散，進而優(yōu)化激光熔覆工藝。
展開 超聲輔助激光熔覆利用高能超聲波在熔體中產(chǎn)生的非線性效應(yīng)，如超聲空化和聲流效應(yīng)等，來改善熔池內(nèi)增強體與熔體的潤濕性，促使增強體在熔體中均勻分布。同時，聲流攪拌作用將空化效應(yīng)產(chǎn)生的晶核擴散至整個熔池中，有效提高了形核率，均化了溫度梯度和成分分布，降低了偏析程度。這種結(jié)合了激光熔覆和超聲振動的技術(shù)，可以提高熔覆層的質(zhì)量和性能。
本案例展示了超聲輔助下激光熔覆的動態(tài)過程，仿真結(jié)果如圖所示：
該仿真模型考慮了溫度場+流場+超聲場+動網(wǎng)格技術(shù)，感興趣的朋友，歡迎交流合作！
激光熔覆的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
激光熔覆的最新內(nèi)容
COMSOL激光熔覆熔池演化模型2個月前
<p>COMSOL熔池形態(tài)演化仿真模型。考慮了相變、反沖壓力、表面張力和馬蘭格尼效應(yīng)。</p><p>物理場：動網(wǎng)格+層流+流體傳熱。</p><p>僅提供模型（不包含結(jié)果文件）與參考文獻！</p><p>COMSOL版本：6.4</p><p><br></p><p><br></p><p><br></p><figure style="text-align: center;" class="ql-align-center
這是一個增材制造的教學(xué)案例(適用于3D打印、激光熔覆、焊接等領(lǐng)域)。聲明:本cae文件為abaqus2016版本，所以僅適用于2016及以上的版本，但是在最后的壓縮包中添加了inp文件，inp文件不受版本限制，同時python腳本文件及for熱源子程序文件不受版本限制。
這是一個增材制造的教學(xué)案例(適用于3D打印、激光熔覆、焊接等領(lǐng)域)。
聲明:本cae文件為abagus2016版本，所以僅適用于2016及以上的版本，但是在最后的壓縮包中添加了inp文件，inp文件、for熱源子程序不受版本限制。
這只是一個demo，所有的技術(shù)是都有展示的，只是模型精度比較差。
<p>comsol增材制造 激光熔覆 雙道單層 雙道雙層 活化 熱固耦合 </p><p>結(jié)果：溫度場、應(yīng)力場</p><p>付費內(nèi)容含comsol雙道單層、雙道雙層兩個模型、可供學(xué)習(xí)參考、按需購買</p><div contenteditable="false" width="100%">
<figure class="figure-image
超聲輔助激光熔覆利用高能超聲波在熔體中產(chǎn)生的非線性效應(yīng)，如超聲空化和聲流效應(yīng)等，來改善熔池內(nèi)增強體與熔體的潤濕性，促使增強體在熔體中均勻分布。同時，聲流攪拌作用將空化效應(yīng)產(chǎn)生的晶核擴散至整個熔池中，有效提高了形核率，均化了溫度梯度和成分分布，降低了偏析程度。這種結(jié)合了激光熔覆和超聲振動的技術(shù)，可以提高熔覆層的質(zhì)量和性能。
Wire Based Laser Metal Deposition (LMD)
基于激光熔覆技術(shù)的焊接加工技術(shù)
零件是通過使用激光束熔化金屬絲而制成，是一種近凈成形方法
通過優(yōu)化激光功率、送絲速度和送絲方向，可以實現(xiàn)工藝穩(wěn)定性
金屬板激光匙孔焊接中鈕扣孔缺陷的熔池分析
Won-ik Cho, Peer Woizeschke
<p>comsol雙橢球熱源激光熔覆仿真模型。激光熔覆粉末沉積過程中，快速熔化凝固和不同比例粉末的導(dǎo)致了熔池中復(fù)雜的流動現(xiàn)象。以及熱行為對凝固組織和性能有顯著影響。通過三維數(shù)值模型來模擬在316L上激光熔覆過程中的傳熱、流體流動、凝固過程。僅提供模型，按需購買！
目前常見的焊接熔覆技術(shù)主要有：激光熔覆技術(shù)、等離子熔覆技術(shù)和TIG熔覆技術(shù)等。其中，激光熔覆技術(shù)所需的設(shè)備費用高昂且熔覆層的寬度小[5,6]；等離子熔覆的熔覆率低，對環(huán)境要求高[7,8];TIG熔覆具有熔寬大、熔深淺等優(yōu)點，特別適用于工件表面的焊接修復(fù)[9,10,11]。
其激光熔覆仿真時聚焦光斑內(nèi)距離熱源中心r處的熱流密度為:
式中:rh是激光束在基材上形成加熱光斑的半徑。
模型建立之后, 規(guī)劃激光熱源的掃描軌跡, 設(shè)定需要重點分析的節(jié)點, 設(shè)置激光的掃描速度, 光斑大小、每掃描一周后的冷卻時間, 最終經(jīng)過仿真計算后輸出各節(jié)點的結(jié)果。
楊明等[7]對國內(nèi)外熱障涂層的制備方法進行了歸納分析，并展望了熱障涂層制備方法的發(fā)展方向，熱障涂層的制備方法主要包括大氣等離子噴涂、電子束物理氣相沉積、激光熔覆、電泳沉積、液相等離子噴涂、等離子噴涂—物理氣相沉積等，目前實際生產(chǎn)中主要使用大氣等離子噴涂和電子束物理氣相沉積兩種方法。
