经典复现：COMSOL仿真模拟激光熔覆过程

【经典复现】COMSOL仿真模拟，激光熔覆 【基本原理】激光熔覆粉末沉积过程中，快速熔化凝固和不同比例粉末的导致了熔池中复杂的流动现象。 以及热行为对凝固组织和性能有显著影响。 通过三维数值模型来模拟在316L上激光熔覆过程中的传热、流体流动、凝固过程。 【手段工具】COMSOL多物理层有限元求解工具 【提供资料】模型源文件 【您将学会】COMSOL仿真模拟，模拟方向为激光熔覆，主要包含模拟动网格-温度场-速度场-马兰戈尼效应，以及应力场

激光熔仿真是个技术活，尤其是涉及多物理场耦合的时候。最近在折腾316L基板上激光熔覆的模拟，折腾完发现模型里藏着不少有意思的物理现象。今天就把COMSOL里搭的这个模型拆解看看，源文件在文末自取。

先说动网格设置。在激光移动过程中，熔池区域需要动态划分网格。这里用到了变形几何接口，配合预设的激光路径做网格自适应。关键在定义网格变形时的控制方程：

model.component("comp1").physics("dg").feature("dweq1").set("Gamma", "0.1*[m^2/s]");
model.component("comp1").physics("dg").feature("dweq1").set("us", "laser_speed");

这段代码设置了网格变形速率与激光移动速度的关联参数Gamma，确保熔池前缘的网格足够细密。实际调试中发现Gamma超过0.15会导致网格畸变，这点要特别注意。

温度场和速度场的耦合才是重头戏。熔池内部同时存在热传导、对流和辐射三种传热方式。在传热模块里设置热源时，用高斯分布模拟激光热流密度：

model.component("comp1").physics("ht").feature("hs1").set("Q0", "P/(pi*r^2)*exp(-((x-laser_x)^2+(y-laser_y)^2)/r^2)");

其中P是激光功率，r为光斑半径。调试时发现当移动速度超过10mm/s时，熔池尾部会出现温度震荡，这时候需要调整时间步长参数。

马兰戈尼效应是熔池流动的核心驱动力之一。表面张力随温度变化的系数设置很关键：

model.component("comp1").physics("spf").feature("surf1").set("gamma", "-0.4e-3*(T-T_melt)");

负号表示表面张力随温度升高而降低，这会导致熔池表面流体从中心向边缘流动。有趣的是，当熔池边缘温度梯度过大时，这种流动会形成涡旋结构，直接影响凝固后的晶粒取向。

应力场计算需要特别注意相变带来的影响。这里采用顺序耦合方法，先算完温度场再导入到固体力学模块：

model.component("comp1").physics("solid").feature("linm1").feature("dmp1").set("beta", "0.02");

阻尼系数beta的设置对残余应力分布形态影响很大。模型结果显示，扫描路径转折处会出现应力集中现象，这在实际加工中需要重点监测。

最后来个实战技巧：处理凝固过程时，建议启用相变潜热的"等效比热容法"，比显式追踪相界面更稳定。参数设置时把潜热值分配到固相线附近的温度区间：

model.component("comp1").physics("ht").feature("slh1").set("L", "2.6e5*exp(-((T-1723)/50)^2)");

这种处理方式能有效避免温度场计算的突变问题。模型跑完后的熔池形貌与文献中的高速摄像结果吻合度不错，最大误差控制在8%以内。

需要源文件实操的朋友可以戳这个链接下载。建议先尝试修改激光功率参数，观察熔池深宽比的变化规律——你会发现当功率超过2000W时，熔池形态会突然从椭圆形变为水滴状，这个非线性跃迁现象很有意思。