Численное моделирование теплообмена и гидродинамики при лазерно-плазменной обработке металлических материалов

Abstract

Предложена приближенная математическая модель, описывающая тепловые и гидродинамические процессы при комбинированной лазерно-плазменной наплавке. Рассматривается схема быстродвижущегося источника нагрева, обобщающая известную схему Н. Н. Рыкалина на случай совместного конвективно-кондуктивного переноса энергии в расплавленном металле. Плотности тепловых источников лазерного и плазменного источников нагрева различной мощности полагаются распределенными на поверхности пластины по нормальному закону с различными радиусами тепловых пятен; комбинированный источник полагается аддитивным. Уравнение локального теплового баланса на поверхности обрабатываемого изделия учитывает теплообмен излучением и потери тепла на испарение. Полагается, что движение расплава в условиях плазменного нагрева косвенного действия осуществляется под воздействием подъемной силы Архимеда и термокапиллярной силы. Проведена верификация математической модели и описаны результаты вычислительных экспериментов по исследованию формирования проплавленной зоны при воздействии лазерного и комбинированного лазерно-плазменного источников нагрева. Показано, что доминирующим силовым фактором, определяющим гидродинамику расплава, является сила Марангони. Изучено влияние конвективного переноса энергии на формирование расплавленной зоны. Библиогр. 8, табл. 4, рис. 8.