摘要：低碳钢S45C作为常见的结构钢，具有成本较低、易获取、加工性能良好等特点，且其热-流体性能（如密度、热导率、表面张力等）已被充分研究，为激光送丝定向能量沉积（DED）的数值模拟和实验验证提供了可靠的材料属性基础，适合作为该工艺研究的典型材料。相比粉末式DED，

01 研究背景

低碳钢S45C作为常见的结构钢，具有成本较低、易获取、加工性能良好等特点，且其热-流体性能（如密度、热导率、表面张力等）已被充分研究，为激光送丝定向能量沉积（DED）的数值模拟和实验验证提供了可靠的材料属性基础，适合作为该工艺研究的典型材料。相比粉末式DED，送丝DED的制造成本更低，沉积速率更高，更适合复杂形状产品的制造。另外，整合计算流体动力学（CFD）技术的计算框架，包含连续性方程、动量方程、传热方程及流体体积（VOF）方法，可精确模拟熔池内的流体流动、传热及界面动力学（如马兰格尼效应、反冲力），为工艺参数优化提供理论支撑。

但是，激光功率、送丝质量流量、扫描速度等参数对熔覆层尺寸（宽度、高度、深度）存在一定影响。例如，送丝质量流量对熔覆宽度的影响在不同研究中呈现增加、减少或不敏感等不同趋势；激光功率与熔覆高度的关系也可能是非单调的，增加了工艺控制难度。而且研究中未考虑熔池内的湍流和激光多次反射等因素。尽管当前模拟误差可接受，但这些因素可能影响热流体流动的精确性，对工艺的高精度优化存在潜在限制。目前，已有研究基于工业技术研究院（ITRI）提供的实验数据，通过对比不同工艺参数下的实验结果与数值模拟结果，验证了 CFD 模型的可靠性；但前人多通过实验探究激光功率、送丝质量流量、扫描速度等对熔覆层尺寸的影响，结论仍然存在分歧；数值模型方面，部分研究简化了传热和流动过程（如忽略流体对流）。

国立成功大学在工程技术领域期刊International Journal of Heat and Mass Transfer上发表了题为“Numerical modelling and parametric investigation for the laser wire-feeding direct energy deposition”的研究成果。本文提出了一个计算框架，用于利用计算流体动力学(CFD)技术对送丝定向能量沉积(DED)工艺进行建模。该研究调查了马兰格尼效应和回弹力对最终覆层几何形状(包括覆层高度、宽度和稀释度)的影响。作者利用CFD结果分析了这些输出参数与工艺条件(如送丝质量流率、激光功率和扫描速度)之间的趋势关系。此外，作者还应用统计方法对实验数据进行验证，以确认CFD研究观察到的趋势。该研究提供了一个可靠的数值模型，并对工艺条件与最终轨迹几何形状之间的相互作用提供了见解，这有利于相关行业设计指南的开发。

02 论文图片

图1 该图展示了熔覆层与送丝式DED系统的基本原理。

图2 该图给出了S45C钢的材料性能参数。

图3 该图依次展示了：(a) 计算域；(b) 激光-送丝系统的布局；(c) y-z 平面内的边界条件与网格布局；(d) x-y 平面内的边界条件与网格布局；(e) 动态网格重划分时的网格再生过程。

图4 该图给出了案例3条件下，沿扫描方向（x 轴）在y-z截面处由CFD计算得到的最终轨迹几何形貌及其与实验测量值的结果。

图5 该图展示了案例7在准稳态时熔池顶视与侧视的温度分布及速度矢量。图中红色箭头表示马兰格尼效应诱导的流动，绿色箭头表示反向马兰格尼效应诱导的流动，黄色箭头表示反冲效应诱导的流动。

图6 该图从熔池顶视角度分别给出案例7中马兰格尼效应的界面力源项 Fm（上）与反冲力的界面力源项 Fr（下）。

图7 该图展示了案例7在马兰格尼效应 Fm=0 时（a）和反冲力 Fr=0 时（b）时，熔池顶视与侧视的温度分布及速度矢量。

图8 该图给出了送丝质量流量Fw对案例1、2、3的最大温度（a）、熔覆高度 Hc（b）、熔覆宽度 Wc（c）及熔覆深度 dc（d）的影响。

图9 该图展示了案例1（Fw = 2.16×10-⁴kg/s，a）与案例3（Fw= 3.61×10-⁴kg/s，b）的温度分布及激光能量热输入速率Qlas的对比。

图10 该图给出了案例1、2、3在不同送丝质量流量Fw条件下，由式(17)计算的熔覆面积Ac 与由式(18)计算的Aq 的变化情况。

图11 该图给出了激光功率Plas对最大温度（a）、熔覆高度Hc（b）、熔覆宽度Wc（c）及熔覆深度dc（d）的影响。

图12 (a)展示了图10所有案例在激光功率Plas变化时，由式(17)计算的熔覆面积Ac与由式(18)计算的Aq；(b) 同时给出了图10(c)中的熔覆高度Hc与由式(19)计算的Hq。

图13 该图给出了案例8、9、10中激光扫描速度vlas对最大温度（a）、无量纲化熔覆高度Hc（b）、熔覆宽度Wc（c）、熔覆深度dc（d）及稀释率Dc（e）的影响。

图14 (a)该图给出了案例8-10在激光扫描速度vlas变化时，由式(17)计算的熔覆面积Ac与由式(18)计算的Aq；(b) 同时给出了对应工况的熔覆高度Hc与由式(19)计算的Hq。

图15 该图比较了经验公式预测值与实验实测值：(a)熔覆宽度Wc；(b)熔覆高度Hc；(c)稀释率Dc。

图16 (a)该图给出了在激光扫描速度vlas保持 30 mm/s 条件下，由式(A1)计算的Hc = f(Fw, Plas, vlas)；(b)给出了其对激光功率Plas的梯度∂Hc/∂Plas。

03 关键结论

1. 反冲力使熔池自由表面凹陷，推动周围材料向熔池后部移动，增加熔覆层的高度和深度；马兰格尼效应区域（表面张力系数随温度升高而降低）中，径向流动扩大熔覆宽度；反向马兰格尼效应区域（表面张力系数随温度升高而增加）中，流动抑制反冲力对高度的提升作用。

2. 送丝质量流量增加时，送丝熔化延迟且熔化前沿靠近激光中心，熔池最高温度保持平衡，对熔覆宽度影响较小，但深度减小、高度增加；激光功率增加时，马兰格尼效应扩大熔池宽度（使表面变平，降低高度）与反冲力增强（提升高度）的竞争，导致熔覆高度呈现先减小、后恒定、再增加的趋势；扫描速度增加时，激光能量输入减少，熔池温度降低，马兰格尼和反冲效应减弱，熔覆层宽度、深度及高度均减小。

3. 熔覆宽度对送丝质量流量、高度对激光功率、稀释率对扫描速度的敏感性较低，这一规律通过大量实验数据验证，为工艺参数优化提供参考。

04 通讯作者

曾建州，国立成功大学机械工程系副教授，主要研究流体力学计算和数值分析与预测。

05 论文引用

Chien-Chou Tseng, Chiao-Yun Teng, Tse-Wei Wang, Zheng-Jin Xie. Numerical modelling and parametric investigation for the laser wire-feeding direct energy deposition: International Journal of Heat and Mass Transfer 252 (2025) 127448

DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.127448

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来源：江苏激光联盟