激光熔覆鎳基合金溫度場的數值模擬

蔣紅云,丁 林

(安徽國防科技職業學院機械工程系，安徽 六安 237011)

激光熔覆鎳基合金溫度場的數值模擬

蔣紅云,丁 林

(安徽國防科技職業學院機械工程系，安徽 六安 237011)

利用SYSWELD 有限元軟件，采用預置粉末方式實現激光熔覆加工，考慮到材料熱性能隨溫度變化、邊界條件隨溫度變化及含有非線性單元等非線性因素，對普通碳鋼表面激光熔覆鎳基合金溫度場的分布進行了模擬計算。結果表明,模擬計算值和實驗實際測量值無論在寬度還是深度都符合，熔覆過程的稀釋率為12.7%，可以獲得良好的冶金結合，說明所建立的溫度場計算模型是正確并可靠的，研究結果對工藝參數的優化和控制熔覆層稀釋率提供了借鑒和指導作用。

激光熔覆；SYSWELD軟件；鎳基；稀釋率

激光熔覆是高功率的激光束與金屬交互作用產生熔池，在材料表面進行的冶金過程，其特點是材料的凝固具有很高的溫度梯度和凝固速率。利用這一新技術可以在廉價材料表面或局部制備具有特種性能的合金層和陶瓷金屬復合層［1-3］。

激光熔覆是一個復雜的物理和冶金過程，此過程的傳熱對激光熔覆層的質量起決定作用。由于激光熔覆過程中熔池尺寸小、溫度高以及加工過程的時間相對較短，因此，用試驗方法測量激光過程中溫度場的分布是很困難的。隨著計算機技術的飛速發展和國民經濟發展的需求，激光熔覆逐漸得到廣泛應用，但對熔覆層質量要求也越來越高，迫切需要尋找一種可靠、經濟、科學的方法來提高激光熔覆層質量，為此，數值模擬技術在此領域得到了蓬勃發展，為更好地掌握激光熔覆過程中發生的復雜現象提供了有效手段。目前，對激光熔池中熱源模型和熔池內傳動和流場有了一定的報道［4-5］，但在結合快速凝固理論有待于進一步的研究。下面，筆者考慮了材料熱性能隨溫度變化、邊界條件隨溫度變化及含有非線性單元等非線性因素的影響，結合快速凝固理論，利用SYSWELD有限元模擬軟件對激光熔覆鎳基合金溫度場進行了模擬計算。

1 溫度場數學模型

激光熔覆三維瞬態溫度場熱源控制方程為［6］：

(1)

(1)初始條件。當t=0時(熔覆開始)，工件具有均勻的初始溫度(T)，一般為環境溫度(T=20℃)。

(2)邊界條件。熔覆過程中，熔覆試件邊界與周圍介質的熱交換遵循方程:

(2)

式中，n為邊界表面外法線方向；q是單位面積上的外部輸入熱流；T是工件表面上的溫度；Tα是周圍介質溫度；α是表面總的換熱系數：α=αc+αg,αc為對流換熱系數;αg為輻射換熱系數。

2 物理模型的建立

2.1有限元模型的建立及假設

圖1 單道熔覆有限元模型及網格劃分

在網格劃分時，要求在熔覆層表面采用自由網格進行劃分，由于熔覆層以及熱影響區溫度梯度變化大，因此需要高密度的網格來反映，在遠離激光作用的區域溫度梯度小，采用較為稀疏的網格密度來反映。但兩部分之間的網格密度不能差異過大，否則會使單元形狀嚴重扭曲，無法進行計算甚至導致SYSWELD無法進行網格劃分，因此在中間采用過渡網格進行過渡。由于熔覆層自由網格的存在，在模型橫界面上只能采用三角形自由網格，而在縱向方向上為了便于計算，采用規則的四邊形網格。焊件的初始溫度為20℃，基體尺寸為40mm×40mm×10mm，熔覆層厚度為1mm，單道熔覆有限元模型機網格劃分如圖1所示。激光熔覆熔池流動及傳熱過程比較復雜，影響因素眾多，為了簡化計算，作如下假設：①假設熱過程為導熱連續體中的熱源移動，忽略了熔化和結晶過程中的熔融區移動；②不考慮工件與工作臺之間的熱傳導，假設工件的所有外邊界只與空氣進行輻射和對流換熱；③忽略了激光光致等離子體的影響，僅在熱效率上加以簡單考慮。

2.2激光熔覆熱源

熱源模型的選擇決定了數值模擬過程中加載的熱載荷情況，直接影響激光熔覆層的形狀和大小，因此熱源模型的選擇是溫度場模擬中的關鍵因素之一。針對激光熱源選擇的影響以及激光熔覆過程中相當部分熱量是通過熱傳導和輻射直接輸給焊件的，采用高斯分布熱源模型，高斯分布函數為：

(3)

表1 激光熔覆工藝參數

式中,q(x,y,z,t)為t時刻在(x,y,z)位置的熱流量；b為熱源分布特征半徑；v為焊接速度；τ為電源位置滯后的時間因素。激光熔覆時采用的工藝參數如表1所示。為了進一步提高熱源的準確性，在計算前采用SYSWELD軟件中的熱源校正工具，通過不斷的調節熱源參數，使得熱源符合實際中熔覆層的尺寸，達到對熱源進行校正的目的。

2.3定義材料的熱物理性能參數

圖2 材料的熱物理性能參數隨溫度的變化

鎳基熔覆材料的比熱、熱導率、楊氏模量、熱膨脹系數、屈服強度、泊松比、密度與溫度的關系如圖2所示。

3 結果與分析

3.1熔覆層表面上不同時刻的溫度分布

圖3為熔覆層表面上不同時刻的溫度分布。從圖3中可以看出，在激光熔覆開始，當具有很高功率密度的激光束作用到熔覆層表面的瞬間，溫度即高達1361℃，超過了熔覆層的熔化溫度，熔覆開始進行，此時表面等溫線呈線性狀橢圓階梯分布，同心度較好，等溫線很不光滑(如圖3(a))，說明在熔覆初期構件溫度急劇變化，尚未形成穩定的溫度分布，中心等溫線為1300℃，由里往外依次為1000、800、500、100℃。隨著熔覆的不斷進行，在1.08s時(如圖3(b))，此時的最高溫度達到2195.25℃，滿足熔覆層熔化的溫度要求，橢圓長軸不僅在激光掃描方向上伸長，而且在垂直于掃描方向的寬度方向上也在增大，但仍然保持橢圓階梯分布，等溫線與圖3(a)相比明顯變的光滑，熔池前端溫度梯度大，等溫線密集，熔池尾部等溫線較稀疏。等溫線變得更加光滑，形成穩定的溫度分布。后端較扁，這是因為端面的散熱快。當熔覆進行到3.2s時(如圖3(c))，等溫線呈規則的扁平橢圓。同心度很高，前端等溫線密度大，后端等溫線稀疏，符合一般激光加熱溫度場規律。在4s時激光光斑中心已經移出熔覆層，此時溫度場形貌為半橢圓形，等溫線分布稀疏(如圖3(d))。在4.5s 時，激光束已經移出試樣，此時最高溫度降到了1392.74 ℃(如圖3(e))。

圖3 激光熔覆層表面溫度分布

從圖3中可以看出，在激光熔覆過程中，隨著連續激光束的移動，溫度場也相應的移動，在掃描光斑前端，當激光高密度能量作用到熔覆層上的瞬間，熔覆層溫度迅速升高使得熔覆層熔化甚至汽化、溫度在短時間劇烈變化，而在掃描光斑后端由于激光掃描后熔覆層凝固時釋放的大量熱量要通過熱傳遞的3種方式(熱傳導、輻射、對流)向外擴散，而熔覆層表面主要是以輻射和對流的方式傳熱，因此溫度變化不劇烈。這就使得整個表面溫度場在光斑前端具有密集的等溫線，而使得光斑后端等溫線稀疏，與理論分析完全符合。

3.2溫度場模擬分布

在激光熱源移動到3.2s時刻位置時，熔覆層熔池最高溫度達到為2851.39℃。由于鎳基合金的熔點約為1300℃，因此，在與模擬結果一致的工藝參數的條件下，此模型的計算溫度能夠實現鎳基合金材料良好熔覆，這與理論結果相符合。圖4為熱源移動到3.2s時刻試樣的橫截面和表面上溫度場模擬分布圖，通過測量可得，熔覆層寬度約為3.9767mm，熔深約為1.146mm。

圖4 穩定狀態時的溫度分布

3.3激光熔覆的稀釋率

稀釋率是指在激光熔覆中由于熔化的基材的混入而引起的的熔覆合金成分的變化程度。用基材合金在熔覆層中所占的百分率表示，稀釋率一般控制在10%左右［7］。計算稀釋率的方法可分為2種：成分實測值計算稀釋率和幾何稀釋率。

3.4熔覆層特征參數

表2 熔覆層特征參數的模擬值與實測值

熔覆試樣的制備是在基體材料表面預置粉末層，粉末厚度為1mm。激光熔覆過程采用了TJ-HL-T5000 型橫流式激光器(2kW)，激光掃描速度為300mm/min，進行單道熔覆。激光熔覆完成后在垂直激光掃描方向取金相試樣，磨樣拋光后用草酸電解，在金相顯微鏡下觀察。采用定量金相法測量熔覆層深度，熔覆層寬度與模擬值數據比較如表2所示。從表2可以看出模擬結果與實測值比較符合，說明建立的模型能夠準確的反映出實際的激光熔覆過程中溫度場的分布。

4 結 論

1)采用SYSWELD軟件對熔覆過程中溫度場的分布進行了計算，通過對計算結果的分析與測量得到熔覆層寬度為3.98mm，熔覆層深度為1.146mm，稀釋率為12.7%，與理論計算結果相符合，熔覆層與基體獲得了良好的冶金結合。

2)采用與模擬計算相同的工藝參數進行了試驗，通過測量對比表明，模擬計算結果與試驗結果較符合，證明了筆者建立的三維有限元模型正確，計算結果可行。

［1］張永康. 激光加工技術［M］.北京: 化學工業出版社,2004: 9-21.

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［6］ 陳丙森. 計算機輔助焊接技術［M］. 北京: 機械工業出版社,1999: 107-168.

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10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.07.007

O242；TG146.1

A

1673-1409(2012)07-N015-04

2012-04-24

安徽省省級自然科學研究項目(HJ2012B031)。

蔣紅云(1964-)，女，1988年大學畢業，副教授，現主要從事焊接技術及自動化方面的教學與研究工作。

［編輯］ 洪云飛