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基于生死单元的激光熔覆温度场数值模拟


基于生死单元的激光熔覆温度场数值模拟 摘 要:计算了不同激光功率条件下粉末粒子到达基体前的温升情况,并将粉末粒子 到达基体前的温度作为初始条件,采用生死单元法对单道和多道激光熔覆温度场进行 了研究.利用熔池尺寸和形貌,验证了模型的可靠性.结果表明,粉末粒子温升和激光 功率呈线性关系,单道熔覆层的温度变化呈一个锯齿状,升温过程近似呈直线上升,降 温曲线近似呈双曲线的一支,而多道熔覆

过程中,温度场呈后拖的偏椭圆状.节点上的 热循环经过逐渐增大的峰值,峰值温度最终趋于稳态. 0 序 言 激光熔覆按送粉工艺的不同可分为两类.即粉末预置法和同步送粉法.同步送粉法具有易实现 自动化控制,激光能量吸收率高,无内部气孔,尤其熔覆金属陶瓷,可以显著提高熔覆层的抗开 裂性能,使硬质陶瓷相可以在熔覆层内均匀分布等优点 ,具有广阔的应用空间 .国内学者运用 ANSYS 对激光熔覆过程的温度场和应力场已经做了大量的研究工作[1-4].目前通过 ANSYS 模拟激光熔覆温度场的研究并没有考虑激光束与粉末的交互作用,实际上激光束最先和粉末 作用,激光束除了损失的能量以外,一部分被熔覆粉末吸收,另一部分则透过粉末被基体吸收. 基体除了直接吸收激光束能量以外,还吸收粉末传递给基体的能量.因此很有必要在模拟之前 搞清楚激光能量的分配情况 ,这样建立起来的模型与实际才更接近 ,模拟结果更有说服力 .文 中将粉末到达基体前吸收能量后的温升作为初始温度场加载给基体,同时采用 ANSYS 中生 死单元技术模拟熔覆单元的生长过程,基体吸收的能量通过高斯体热源加载,模拟送粉激光熔 覆的温度场分布情况 .在此基础之上,模拟了多道次激光熔覆温度场,对多道激光熔覆温度场 进行了研究. 1 粉末到达基体前的温度 粉末在遮挡激光的同时,也吸收了部分激光能量,从而使自身的温度升高.实际上,在不考虑等 离子体影响(能量密度低于 105W /cm2)情况下,粒子直接吸收激光辐射能,并放出辐射能.在空 气中粉末颗粒也会由于空气对流散失能量,粒子之间也会相互加热这些能量在总能量中的比 例很小,目前关于粉末颗粒温升的模型并不多见,而且在模型中需要建立假设条件[5].为了计 算方便,在模型中假设: (1)粉末颗粒在气)粉射流中的体积分数很低,可以忽略激光的反射、折射、颗粒离子之间的相 互加热和光束遮蔽等影响. (2)粉末颗粒是半径为 rP 的球体.由于粉末颗粒足够小,在能量计算 时将其看成一个点 ,粒子的热导率为无限大,即认为粉末颗粒的温度是均匀一致的 ,在迎光面 和背光面没有差异.(3)粉末颗粒只在迎光面吸收能量,但对外辐射则在整个球体表面发生. (4) 粉末不吸收来自基体的反光.由以上假设,根据粒子的能量方程可以求出粉末粒子的温升. 方程是非线性方程,使用 Matlab 软件采用迭代法求解.当激光功率 P=2 kW 时,在 1 500~1 600 K 范围内方程有解,于是初始值设为 T=1 500 K,通过迭代求出方程的一实根为 T=1 570 K. 改变激光功率,得到不同激光功率下粉末离子到达基体时的温度,如图 1 所示,随着激光功率的 增大,粉末粒子达到基体前的温升逐渐增高,且成近似线性关系增长.当激光功率 P=1 500W 时, 计算出粉末粒子温升 T=1 267 K,而 Ni60 粉末的熔点约为 1 300 K.说明激光功率低于 1 500W 时,粉末达到基体前不会熔化,这样粉末粒子就会以固体颗粒的形式和基体碰撞 ,飞溅严重,即 使是部分粉末颗粒熔化形成熔池,基体熔深也得不到保障;当激光功率 P=3. 0 kW 时,T=2 111 K,这时粉末粒子的温度远大于熔点温度 ,会造成部分粉末颗粒的烧损 .因此,在实际生产中应 控制激光功率在一个合理的范围内

图 1 激光功率与粉末粒子温度关系曲线 Fig11 Relation curve between laser power and tempera-ture rises of powder particles 2 单道激光熔覆的模型 在建立热源模型的过程中,粉末到达基体前与激光束发生交互作用,激光束对粉末的作用通过 初始温度 vT 实现,即假设粉末飞行过程中吸收的有效能量全部用于升温,作为初始温度场施 加给熔覆单元.根据 Picasso 的理论,基体吸收的能量可分为直接吸收和粉末热传递两部分,基 体直接吸收的热量通过体热源形式实现.采用 APDL 语言编制热源的移动过程程序,实际操作 中,始终以全局笛卡儿坐标系为求解坐标系 ,而载荷在局部坐标系下施加 ,这样通过熔覆方向 上的坐标变换,实现全局坐标向局部坐标的转化,即 z=Z-vt (1)式中:Z 为全局笛卡尔坐标系下 的坐标; z 为局部笛卡尔坐标系下的坐标; v 为光源移动速度; t 为光源移动时间. 采用 ANSYS 中生死单元技术模拟熔覆单元的生长过程,在计算开始时刻,所有熔覆层单元均 设定为/死 0 单元.在随后每一步的计算中,首先判断所有/死 0 单元是否落入激光束的照射区 域,如落入激光束照射区域,就将其激活,纳入计算模型中. 2.1 热源模型 文中粉末粒子的温升采用解析计算;基体直接吸收的激光束热源模型采用柱状高斯体热源,以 此模拟熔覆层和基体中热量的三维分布和传导.体热 密度表示为 Q=Qmexp(-3r2/r2a)exp(-BZ) (2)r=(vt-x)2+y2(3)Qm=CPPabh(4) 式中:Qm 为加热斑点中心的最大体热流;B 为激光体热密度沿厚度方向的衰减系数; r 为某一 深度任意一点(x,y)距体热流中心的距离; ra 为激光的有效作用半径;a,b 为高斯热源的长短 轴;h 为熔覆层深度;C 为基体对激光的吸收系数. 2.2 材料热物理性能参数 激光熔覆过程就是加热)熔化)凝固)冷却的过程,其中包含着相变.相变热模型在数学上是一 个强非线性问题,使计算发生困难.对于 Q235 基体材料,文中采用显热熔法,在糊状的熔化带内 调整比热容 c=$H/$T 来近似计算[6],其中$H 为熔化潜热,$T 为熔化温度区间.粉末颗粒熔化潜 热$HP=0. 26 J/mg,比热容 c=4. 59@108J/kge,熔化温度区间为[1 230 K, 1 310 K].基体材料熔 化潜热$HW=0. 273 9 J/mg. Ni60 自熔合金的密度取常温下的值 8. 378@103kg/m3.为了得到 好的收敛解,激活牛顿)拉普森方法的线性搜索. 3 单道激光熔覆温度场的模拟 考虑到对称性,取工件的 1/2 进行分析.采用八节点六面体等参单元对工件进行离散.为保证计 算精度,在熔覆层及其相邻部位对网格进行细化 .采用生死单元技术编制程序,首先将熔覆层

单元存入预先定义的数组中,将其全部/杀死 0,然后建立局部坐标系,通过*DO 循环实现光斑 的移动,判断熔覆层单元是否落入激光光斑范围内 ,如果有则激活单元,如果没有则直接进入 下一次循环.将粉末颗粒的温升作为初始载荷加载给被激活的熔覆单元.基体直接吸收的能量 通过高斯体热源施加,用 ANSYS 自带的函数编辑器编写高斯函数.送粉速率 va=71. 36 mg/s. 模拟实现了熔覆层随着激光光斑的移动而逐渐生长的过程,图 2 为基体温度降温时任一温度 场等值面图.图中最高温度区域边界,即基体对称面上距离基体上表面 0. 50mm 温度为 1 653 K,而基体熔点温度为 1 670 K,基体熔深即为 0. 50 mm,这与实际检测结果 0. 48 mm 第 5 期赵 洪运,等:基于生死单元的激光熔覆温度场数值模拟 83 吻合较好,通过这种寻找熔点的方法 确定熔宽为 216mm,与实测结果 2. 8 mm 吻合较好.试验试样熔覆层金相组织形貌和数值模拟 形貌对比如图 3 所示.

图 2 基体温度场等值面图 Fig. 2 Substrate iso-surface of temperature field

图 3 试样金相组织形貌和数值模拟形貌对比 Fig. 3 Metallography film and temperature field of moltenpool 根据以上分析,文中采用的模型是合理可行的,可以进行下一步的模拟分析.图 4 为熔覆层 中序号为 740 的节点(x=0.000,y=0. 000 8 m,z=0. 021 m)的温度变化曲线.当时间 t=6. 667 s 时, 该点开始受到激光光斑直接照射,温度迅速升高,当 t=7. 0 s 时激光光斑中心移至该点,该点温 度升至最高点,当 t=7. 333 s 时,光斑移出该点,该点温度迅速降低.升温曲线近似呈直线,降温曲

线近似呈双曲线的一支,整个曲线呈锯齿状.对曲线图求导数,就可以得到该点温度变化速率 曲线.

图 4 温度变化曲线 Fig14 Variation of temperature 4 多道激光熔覆温度场模拟的实现 4.1 多道搭接激光熔覆模型 激光功率选取 2. 0 kW,扫描速率为 3. 0 mm/s,送粉速率取 71. 36 mg/s,根据前文熔覆粉末到达 基体时的温度的计算,初始温度为 1 570 K.为了节省计算时间,只熔覆 3 道,搭接率取 20%.这是 因为多道熔覆数据文件较多,输出载荷步数超过 1 000 步.为了分析熔覆层上的热循环,在 第一道顶点上取点 A,在第二道和第三道顶点上取点 B 和点 C,对不同熔覆层上的相同位置的 点的热循环进行分析.图 5 为多道搭接取点示意图.

图 5 多道搭接顺序及取点示意图 Fig15 O rder ofm ult-ipass laser cladding and taken pionts 4.2 多道搭接激光熔覆模拟结果分析 熔覆一道需要 16. 667 s,激光器回程时间设置为 1 s,即道间搭接时间间隔为 1 s,熔覆完成需约 52s,在空气中冷却.图 6 为激光器第一道回程过程恰好结束,即第二道结束时的温度场分布,虽 然回程时间很短,但温度场却发生了很大变化,最高温度为 861 K 与最低温度 630 K 接近,温度 场趋于平衡.图 7 为第三道熔覆过程中某时刻温度场分布,可见温度场呈后拖的偏椭圆状,即温

度场椭圆不以光斑

图 6 第二道恰好结束时多道熔覆温度场云图 Fig16 Contour of temperature field as second clad justfinished 中心对称,而是偏向已形成熔覆层的一侧,这是多道温度场不同于单道熔覆的地方 .多道熔覆 之所以会形成偏椭圆形状,是因为前面先形成熔覆层的道次对后续熔覆产生了影响,先熔覆的 熔覆层相对于未熔覆的区域来说有一个初始温差,使得温度场不能沿扫描线对称.

图 7 熔覆第三道时温度场分布云图 Fig17 Contour of temperature field as cladding third clad 按照图 5 所示的取点方法,分析各熔覆层上的热循环. A,B, C 三点的温度随时间变化如图 8 所 示.由图 8 知,三条曲线上最高峰值温度逐渐增高,这是因为 A 点是第一道熔覆层上的点, B, C 分别是第二道和第三道熔覆层上的点,前面道次的熔覆相当于给后续道次的熔覆起到预热作 用.

图 8 A 与 B 及 C 点温度变化曲线 Fig18 Variation of temperature at points A, B and C 5 结 论 (1)通过 ANSYS 生死单元技术实现了激光熔覆送粉过程的模拟计算.并通过试验证明该模型 用于模拟送粉激光熔覆温度场是合理的,发现粒子温升和激光功率之间呈线性关系. (2)模拟发现单道熔覆过程熔覆层的温度变化呈一个锯齿状 ,升温过程近似呈直线上升 ,降温 曲线近似呈双曲线的一支. (3)多道熔覆过程中温度场呈后拖的偏椭圆状,即温度场椭圆偏向已形成熔覆层的一侧.无论 是基体还是熔覆层上的点,后一道上的最高温度均高于前一道次上的温度.但随着熔覆道次的 增多,最高温度会趋于稳定.


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