（机械电子工程专业论文）送粉式激光熔覆温度场的有限元模拟.pdf

d i s s e r t a t i 0 f i n 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙 江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明 的法律责任。 作者签名：高瓮专日期：z o 肛年 月砂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密匦 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：为爱戛 导师签名：粥覆良 日期：厶p 年多月砂日 日期：k 卜年月? 日 浙江1 ：业人学硕十学位论文 送粉式激光熔覆温度场的有限元模拟 摘要 激光熔覆是一种具有良好应用前景的表面处理技术。它是表面改性和快速成形的一种 重要方法，引起了越来越多的关注。由于激光熔覆熔池尺寸较小，温度极高，包含了极为 复杂的热物理过程和微观组织结构的生成等过程，还涉及潜热作用，快速凝固过程等问题， 用实验方法来测量熔池中液体的温度分布是非常困难的。因此，采用数值模拟对激光熔覆 的温度场进行研究的方法一直受到国内外专家学者的重视。 本文研究的主要内容有： 1 在熔覆层厚度相对较薄的情况下，激光热源穿透性的影响可以忽略，采用高斯热源 模型来处理多道搭接的熔覆过程是比较合适的。本论文中的熔覆层厚度为1 0 1 姗，选择 高斯热源模型作为激光的热源模型是比较合适的。 2 利用a n s y s 中的单元生死法实现了送粉式熔覆过程中的动态送粉过程，在熔覆层单 元面上添加了一层s u r f l 5 2 表面热效应单元，并在其上面施加一定大小的热流密度来考虑 空气的对流系数。 3 通过模拟计算得到熔覆过程中的温度场分布情况。经分析表明：熔覆层的始端和末 端的温度非常高，造成了覆层始端和末端出现局部高温的现象。这种在各道熔覆层的始端 和末端出现局部高温的现象，称为端部效应。 4 通常解决端部效应的问题有两种方案：一种是外接材料；另外一种是预留方案。采 用相同的工艺条件和几何模型，对熔覆过程进行了对比性的数值模拟。经过两次模拟结果 的对比，发现预留方案较好的解决了端部效应所带来的不良影响。 5 通过相应的激光熔覆实验较好的验证了模拟的可靠性。 关键词：激光熔覆，温度场，a n s y s ，高斯热源模型，端部效应 浙江i ：业火学硕十学位论文 f i n i t en u m e r i c a ls i m u l a t i o no f t e m p e r a t u r ei nf e e d i n g p o w d e rl a s e rc l a d d i n g a b s t r a c t l a s e rc l a d d i n gi sas u l f a c e 仃e a t i i l e n tt e c l l i l o l o g yw i t hg o o dp r o s p e c t a s 锄i m p o r t a i l t s u r f a c em o d i f i c a t i o na n dr a p i dp r o t o t y p i n gm e t h o d ，i th a sd r a w nm o r ea n dm o r ea _ t t e i l t i o n t h e m e l tp o o lo fl a s e rc l a d d i n gh a sav e us m a l l e rs i z e 锄dh i 曲t e m p e r a t u r e m o r e o v i tc o n t a i n sa v e 巧c o m p l e xp h y s i c a lp m c e s s ，m i c r o c o s m i cs t 九l c t u r eg e n e r a t i o np r o c e s s e s ，t h el a t e n th e a ta n d r a p i ds 0 1 i d i f i c a t i o np r o c e s s e s ，t h u s ，t h et 即叩e r a t l l r ed i s t r i b u t i o ni sv e 巧d i f f i c u l tt om e a s u r eb y u s i n ge x p 嘶m e l l t a lm e t l l o d s e x p e n sa 1 1 ds c h o l a r sa th o m ea 1 1 da b r o a dh a v ed r a w na t t e i l t i o nt 0 s i m u l a t et l l et e m p e r a t u r ef i e l do ft h el a s e rc l a d d i n gw i t hu s i n gt h en u m 谢c a ls i m u l a t i o nm e t l l o d t h em a i nc o n t e n to ft l l ep a p e ri sl i s t e d 邪f o l l o w s ： 1 w h e nt l l et l l i c l m e s so fc l a d d i n gl a y e r si sm i n ，d e a l i n gw i t l lm ep r o c e s so ft 1 1 em u l t i p l e f e e d i n gp o w d e rl a s e rc l a d d i n g i ss u i t a b l e u s i n g ag a u s s i a i lh e a ts o u r c em o d e lw i m o u t c o n s i d e r i n gt h ep e n e 仃a t i o no f l a s e r h e a ts o u r c e t l l et l l i c l 【i l e s so fc l a d d i n gl a y e r so ft h i sp 印e ri s 1 01m m ，锄ds e l e c t i n go fg a u s s i a l lh e a ts o u r c em o d e l i s f i t 邪m em o d eo fl a l s e rh e a ts o u i c e 2 t l l ed ) ，1 1 锄i c a lp m c e s so ff e e d i n gp o w d e ri sr e a l i z e db yu s i n ge l e i i l e n tb i m la i l dd e a t h ， a n dm ea i rc o n v e “o nc o e f ! f i c i e n ti sc o n s i d e r e db ya d d i n gc e n a i nh e a tf l u xo nt l l es u r f a c eo ft l l e s u r fl5 2 ，w m c hi sm es u 】? f a c et l l 锄a le f f e c tu f l i te s t a b l i s h i n go nt 1 1 ec l a d d i n gl a y e r s 3 t l l et 锄p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft h el a s e rc l a d d i n gi sg o t t e nb yu s i n ga n s y s a r e r a i l a l y z i n gt h et e m p 蹦l n j r ed i s t r i b u t i o no fe a c hs t 印，t l l et e r i l p 即舰【r eo fm e i i l i t i a la n dm ee n do n t h ec l a d d i n gi sv e 巧l l i g l l ，觚dt l l eh i 曲一t 锄p e r a t u r ep h e i l o m 朗o ni sc a l l e da st h ee n de 仃e c t 4 t h e r ea r et w ow a y st 0s o l v em ep r o b l 锄：m e0 n ei se x t e n l a lm a t e r i a l s ；觚dt h eo t h e ri s r e s e r v i n gp l a l l t l l i sp 印e rm a k e sas i m u l a t i o na g a i ni no r d e rt om a l ( eac o m p a r i s o ni nt h es a m e c o n d i t i o n sa i l dg e o m 嘶c a lm o d e lb yr e s e r v i n gp l a n c o m p a r i n gt h et 、) l ，os i m u l a t i o nr e s u l t s ，t l l e b a de f f e c tc a i lb ep 刊f e c t l ys o l v 酣b ym er e s e r v i n gp l a l l 浙江工业人学硕士学位论文 5 t h es i m u l a t i o ni ss u c c e s s m l l yv a l i d a t e db yt h ee x p e r i m e n t k e yw o r d s ： 1 a s e rc l a d d i n g ，t 锄p e r a t u r ef i e l d ，a n s y s ，g a u s s i a i lh e a ts o u r c em o d e l ，e 1 1 de 仃e c t 浙江：i ：业人学硕士学何论文 目录 摘要i a l i ；l ? r d l c t j 丘 第l 章绪论。1 1 1选题背景1 1 2 激光熔覆有限元分析的研究现状3 1 3 1 国外研究现状3 l - 3 2 国内研究现状4 1 3 激光熔覆存在的问题及发展的方向6 1 4 课题研究的意义及主要内容7 第2 章有限元模型的建立9 2 1 弓i 言9 2 2 几何模型9 2 3 材料性能参数1 2 2 4 单元类型的选择。1 6 2 5 网格划分1 7 2 6 生死单元技术1 9 2 7 本章小结2 1 第3 章激光熔覆的热场分析及热源模型2 2 3 1 激光熔覆传热模型2 2 3 1 1 激光熔覆过程中的热传导2 2 3 1 - 2 激光熔覆过程中的对流。2 2 3 1 - 3 激光熔覆过程中的辐射2 3 3 2 激光熔覆传热基本方程2 4 3 3 激光热源模型选取o 2 5 3 3 1高斯面热源模型2 5 3 3 2 半球状功率密度分布热源2 7 3 3 3 双椭球体热源模型2 7 3 - 3 4 均匀分布高斯圆柱热流分布2 9 3 3 5 峰值热流沿深度衰减的高斯柱体热源。2 9 3 3 6 本课题的热源模型3 0 3 4 本章小结3l 第4 章激光熔覆温度场有限元分析3 2 4 1 基本方程的解法3 2 4 1 1 窄间域的离散3 2 4 1 2 时间域的离散3 3 4 1 3 基本方程的求解。3 3 4 2 激光熔覆温度场分析流程。3 3 i v 3 4 3 5 3 6 4 4 多道激光熔覆过程的温度场的后处理及结果分析3 6 4 4 1a n s y s 后处理器3 6 4 4 2多道激光熔覆温度场结果分析3 6 4 5 端部效应的研究。4 5 4 5 1 测试方法4 6 4 6 本章小结。5 0 第5 章激光熔覆温度场的实验研究5 1 5 1 激光和数控机床系统5l 5 2 粉末输送系统5 2 5 2 1 送粉器和分配器5 3 5 2 2 同轴送粉喷嘴5 4 5 3 工艺参数集中控制系统5 5 5 4 测试设备与测试方法。5 6 5 4 1 测试方法5 6 5 2 2 监测设备5 7 5 5 实验研究一5 8 5 2 2 未采用预留方案的熔覆实验5 8 5 2 2 采用预留方案的熔覆实验6 0 5 6 本章小结6 l 第6 章结论与展望6 2 6 1 全文总结6 2 6 2 展望一6 3 参考文献“ 致谢6 7 攻读学位期间参加的科研项目和成果6 8 v 浙江工业人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 选题背景 疲劳、腐蚀、摩擦和磨损引起的工程构件的失效大多发生在表面，这一现象引起了材 料科学工作者对材料表面质量的极大关注，从而使得材料表面改性技术的迅猛发展卜3 1 。 世界上第一台激光器发明于1 9 6 0 年。激光凭借其优异的性能，大量地应用到军事、 通信、医学和工业等领域。激光技术在材料科学中的应用使得材料学科无论在理论还是在 工艺方面均获得重要的进展。1 9 7 1 年美国萨吉诺转向器厂首次将一台2 5 0 形的c 0 2 激光器 应用于金属材料的表面局部硬化，1 9 7 4 年美国正式将激光器应用于材料热处理。 激光所提供的高强度能量束是一种理想、清洁、可控性强的热源，因而它能在材料的 切割、焊接、各种表面强化技术和凝固理论研究中发挥出重要的作用【4 。 激光熔覆技术是在激光束的作用下，将合金粉末与基体表面迅速加热并熔化，光束移 开后材料自激冷却形成高性能熔覆层的一种表面强化方法r 刀。同其他表面强化技术相比， 激光熔覆技术具有以下特点： ( 1 ) 冷却速度快( 高达1 0 8 融) ，组织具有快速凝固的典型特征； ( 2 ) 热输入和畸变较小，涂层稀释率低( 一般小于5 ) ，与基体呈冶金结合； ( 3 ) 。粉末选择几乎没有任何限制，特别是可在低熔点金属表面上熔覆高熔点的合金； ( 4 ) 能进行选区熔覆，材料消耗少，具有卓越的性能价格比； ( 5 ) 光束瞄准可以对难以接近的区域进行熔覆； ( 6 ) 工艺过程易于实现自动化。 激光熔覆的分类方法有多种，按照送粉方式的不同可分为两类：同步送粉法和预置涂 层法( 见图l 一1 1 。 基 研 实 推 测熔池中流体的运动及等离子体的生成情况，理论模拟这一类过程还处于起步阶段。在通 常情况下，解析方法在经历熔凝态的激光热作用研究中基本失效，只能用纯数值计算进 行分析”】。 a n s y s 作为集结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件。图 1 2 为a n s y s 系统结构图。 图1 2a n s y s 系统结构 2 浙江r r = 业大学硕士学位论文 a n s y s 是目前世界上流行的大型通用有限元软件之一，它强大的非线性分析功能可 以有效地模拟激光熔覆的非线性过程，因而广泛应用于激光熔覆的数值模拟领域。其后处 理器可以方便地将计算结果进行彩色等值、矢量图和梯度等多种直观显示【1 0 】。 1 2 激光熔覆有限元分析的研究现状 1 2 1 国外研究现状 在早期的研究中，由于条件的限制，为了简化问题，辐照区传热数学物理模型是建立 在一种比较理想的基础上的。当热影响区的特征尺寸与深度比较大时，可以把材料看成一 维半无穷大固体，即一维模型。g r e g s o n 将激光处理视为均匀热源加热半无限大平板，用 一维模型描述了激光处理的加热冷却问题 1 2 1 。应用早期的数学物理模型进行数值分析可以 定性的说明流体流动和温度梯度对硬化区形状和随后的凝固过程有着明显的影响【”以4 1 。但 是这些模型与实际硬化区存在较大差异。随着时间的推移和研究的不断深入，涌现出了众 多与实际硬化区流体流动过程较符合的数学物理模型。 k 啪a r 和r o y 用一个二维传热模型预测送粉式激光熔覆工艺中的温度场和熔池形状， 研究了工艺参数对加工质量的影响。为了降低平均稀释率，功率和扫描速度的比值应保持 较小，为了获得期望的熔覆层厚度，功率也要加以控制【”】。 h o a d l e y 等以自动送粉激光熔覆过程为研究对象，建立了激光熔覆二维温度场、流场 及可变形自由表面数学物理模型，熔覆层的高度根据经验公式预先确定，采用有限元法求 解控制方程，同时采用自适应网格技术，允许自由边界随着熔池区域的变化而变化，还考 虑了气体压力对熔池流动和表面变形的影响，实现了送粉条件下激光熔覆温度场和流场的 二维数值模拟计算【1 6 】。 p i c 2 l s s o 和h o a d l e y 建立了激光熔覆二维温度场、流场及可变形自由表面数学物理模 型。模型采用了有限元法求解控制方程，同时采用自适应网格技术，允许自由边界随着熔 池区域的变化而变化，同时考虑了气体压力对熔池流体流动和表面变形的影响，实现了激 光熔覆温度场和流场的二维数值模拟。但模型预先确定了熔覆层高度，没有考虑横截面的 流动换热情况。根据实验可知，恰恰是横截面所含信息最多，反映熔覆层的温度分布，流 体流动状况和显微组织最为真实。因此，二维模型还是有一定缺陷的【1 7 1 。 k o u 和s u l l 建立了运动高斯热源三维准稳态激光熔化熔池流体流动及传热模型，考虑 了浮力和表面张力梯度作为熔池流体流动的驱动力。熔池的形状是通过计算得到，而不是 事先给定的。用该模型计算了3 2 聊聊厚的6 0 6 3 铝板熔化熔池中的流场和温度场。讨论了 3 浙江r 1 ：业人学硕十学位论文 表面张力温度系数驯d r 对熔池形状的影响，却肠丁为正时，金属液体从熔池中心高温区流 向熔池边缘低温区，熔池变宽变浅，宽深比较大；却饼丁为负时，金属液体从熔池中心高 温区流向熔池底部低温区，宽深比较小，同时还考虑了雷诺数对熔池流动方式的影响，通 过计算，熔池的雷诺数小于临界雷诺数，对流被认为是层流【1 8 】。 t 0 y s e r k a i l i 等建立了送粉式激光熔覆过程中粉末对激光束的衰减，粉末的温度升高以 及热传导、对流的计算模型。用m a t l a b 模拟了送粉速率、粉末飞行速度对熔池几何形状及 温度场分布的影响，模拟结果与实际结果一致【1 9 】。 j a g d h e e s h 等在对3 1 6 l 不锈钢表面激光熔覆s i 的过程中，分析了在光斑直径不变的 前提下不同扫描速度和不同激光功率条件下，熔覆层微观组织基本相同，在功率密度小于 2 5 聊砌聊2 的情况下，熔覆层会产生显微裂纹【2 0 】。 h o 丘1 1 e i s t e r 等用现场高速拍摄热影像结合微观组织分析与有限元模拟的方法，得到熔 池长度、温度梯度、冷却速度以及温度分布与功率之间的关系，认为激光能量增加，熔池 在瓜】，方向尺寸增大，光斑后面的固液相等温线分离越严重【2 l 】。并由试验得出： 1 0 9t = n l o g ( p d d 髓e 礼夕九) + 6( 1 1 ) 其中，于为冷却速度；p d d 胞雠叻为熔池长度；口，6 为系数。 1 2 2 国内研究现状 曾大文和谢长生建立了带有移动热源的激光熔池流体流动及传热过程三维非稳态数 学模型。采用自适应网格技术离散求解动量方程，计算出了不同时刻激光熔池温度分布和 速度分布。结果表明，激光熔池对流传热非稳态过程是一个预热过程，随着时间的推移， 熔池最高温度不断升高，熔深和熔池半径不断增大【2 2 1 。 邹德宁等提出了一种送粉式激光熔覆过程中熔覆层表面形状及厚度的计算模型。将熔 覆过程中固相区、两相区和液相区作为一连续介质，用非稳态固液相变统一模型来描述其 流场与温度场，并采用固定网格移动坐标来处理带移动热源的流动与传热问题。能量方程 用显焓表示，有关潜热的非稳态项与对流项均作为源项来处理。用l 锄b e n b e e r 定理和米 氏理论计算粉末流与激光光束的相互作用，使模拟适用于送粉浓度较大的情形。数值模拟 程序是在流体动力学软件p h o e n i c s 基础上，通过添加源项、边界条件、熔覆层轨迹计算 以及激光束和粉末流相互作用等相应模块实现。对钢基体上熔覆钴基合金s t e l l i t e 6 进行模 拟所得到的计算结果与实验结果基本一致【2 3 1 。 4 浙江工业入学硕士学位论文 李会山等考虑了激光束与材料的作用、非平衡传递、转移规律以及凝固相变问题，并在 此基础上建立简化的二维非稳态温度场数值模型。采用a n s y s 软件，在空间域用有限元 方法，在时间域用差分法离散，两者结合得出温度随时间、空间的变化分布，从而能够较 准确地表达实际状态热传导、热辐射规律【2 4 】。 凌毓涛和姚远采用j a 、，a 3 d 技术对激光热处理模型进行了计算机仿真，讨论了在没有 熔化前提下的热处理三维温度场的有限元数值模拟，在此模型中只考虑了试件的初始温 度，试件在扫描方向足够长，则可精确的计算出温度场的分布【2 5 1 。 g u 0 l f 等用有限元方法模拟了预置粉末涂层法激光熔覆的三维温度场，模型考虑了 移动热源的影响，并认为熔化之前的粉末是绝热的。用高功率n d ：y a g 激光在z m l 5 镁合 金表面熔覆a 1 1 2 s i 进行试验验证。结果表明，用此模型可以大体确定熔覆层和基体的 熔覆界面情况，从而得到交界面上熔覆材料的稀释率【2 6 1 。 郝南海等根据激光熔覆的特点，建立了激光熔覆温度场分析模型，对送粉激光熔覆过 程的温度场进行了有限元分析。分析结果表明，粉末进入熔池后，受到激光照射，温度急 剧上升，当激光移出该点后，温度迅速下降，表现出典型的急热急冷特征。熔覆层最高温 度与激光功率、基体预热温度成正比例关系，而最大冷却速率与激光功率、基体预热温度 成反比例关系。提高基体预热温度对降低熔点处材料的冷却速率效果显著，而提高激光功 率对降低熔点处材料的冷却速率有一定作用，但效果并不明显 2 7 之8 1 。 应丽霞等通过建立移动激光高斯热源作用下三维熔覆温度场的计算机数值分析模型， 在分析过程中引入了复合材料热物性参数的计算方法，考虑了相变潜热和辐射对流散热等 因素，用a n s y s 中的a p d l 语言编制了相应的计算机程序，具有较高的计算精度。在不 同的工艺参数条件下，用该模型对激光熔覆陶瓷一金属复合涂层温度场进行了分析计算， 得出了熔覆过程中试样表面、端面的温度等值线分布和温度梯度分布，预测了熔池的轮廓、 热影响区的形状、交界面的结合情况等【2 9 】。 席明哲和虞钢利用a n s y s 软件，建立了连续移动三维瞬态激光熔池温度场的计算模 型，计算中考虑了材料表面温度对激光吸收的影响和材料相变过程对熔池温度场的影响。 计算结果表明，连续移动激光熔池纵切面的形貌呈“勺”状，熔池表面温度最高点不在激 光束中心，而是稍稍偏后于激光束中心【3 0 】。 卢金斌等利用a n s y s 模拟得到激光熔覆过程中熔池温度分布区域随时间演变趋势， 来计算熔深。模拟的条件：激光功率为1 七孵光斑直径为3 聊所，扫描速度为3 研，l 居，模拟 中时间步长为0 0 0 1 j ，采用自熔合金l c r l 8 n i 9 粉末，直径颗粒为4 似所，粉末厚度为l ，l 聊。 s 浙江1 ：业人学硕士学何论文 通过有限元a n s y s 的计算得到的结果与实际试验值比较吻合，可以满足工程计算的要求 【3 l 】 o 郑碧玉和商泽进采用非线性有限元软件，对多道n i 基激光熔覆层在动态面热源作用 下模拟了温度场和应力场的分布。利用3 七形c 0 ：激光器，在4 5 钢板上熔覆了n i 基涂层， 用数码相机拍摄了熔覆层表面宏观裂纹。模拟值与实验结果表明：在试验工艺参数与热源 子程序相同条件下，建立的多道激光熔覆有限元模型所计算的温度场结果与实验相吻合， 保证了应力场计算结果的准确性。同时计算不同时刻的应力场分布3 2 1 。 付矗以a n s y s 有限元软件作为分析手段，对激光粉末沉积的温度场和应力场进行了 动态数值模拟。采用移动高斯热源模型，综合考虑传导、对流、辐射换热和相变潜热的影 响，以及采用生死单元方法，较好地实现了激光粉末沉积过程温度场和应力场的有限元模 拟。研究表明，随着激光功率增大、扫描速度提高和光斑直径减小，温度梯度变大，残余 应力增大，其中光斑直径对温度场和应力场的影响最为强烈。激光粉末沉积有限元数值模 拟的残余应力及其分布与实际测量结果基本相符，有限元数值模拟可以较好地反映激光粉 末沉积温度场和应力场的变化和分布规律【3 3 】。 仇卫华和刘长毅以利用a n s y s 对激光熔覆过程进行了数值模拟，考虑了热源模型、相 变潜热、表面效应单元等。分析了整个激光加工过程中温度场的变化过程，以及激光各个 参数对材料最高温度与最大冷却速率的影响，并且分析了熔覆层宽度与各个参数之间的关 系【3 4 1 。 1 3 激光熔覆存在的问题及发展的方向 激光熔覆技术具有广阔的应用前景，近年来取得了很大的发展，已经成为提高材料表 面性能的有效途径之一。然而，激光熔覆技术中还有许多关键问题还没有得到解决。 ( 1 ) 激光能量分布的均匀性和稳定性存在不足。采用大功率、波长短的激光宽带熔覆 技术可以较好的解决这个问题。 ( 2 ) 激光熔覆技术在国内还没有完全实现产业化，其主要原因是熔覆层质量的不好， 即表面不平整，后续的机加工量较大，且合金层与基体的交界处容易出现裂纹、夹杂和孔 洞等缺陷，给实际应用带来很大的困难。其中，特别突出的是激光熔覆层的裂纹问题。裂 纹的控制是困扰国内外研究者的一大难题，也是激光熔覆技术在工业推广应用中的一大障 碍【3 5 1 。 解决激光熔覆技术中常见的熔覆层裂纹是有必要的，其有效途径是采用合理的覆层材 6 浙江工业人学硕士学位论文 料，优化激光熔覆工艺等措施。激光熔覆层中产生开裂、裂纹的重要原因之一是熔覆合金 与基材之间的热膨胀系数之问存在较大差值，它对基材与覆层的结合强度、抗热震性能， 特别是抗开裂性能有着重要的影响。在优化激光熔覆工艺方面，采用梯度熔覆工艺制备成 分与性能沿厚度方向呈现出连续梯度变化的复合覆层【3 6 1 。 ( 3 ) 激光熔覆过程的检测与实时自动控制。激光熔覆是一个多变量相互作用的过程， 熔覆过程控制中，多个参量常常是在一定范围内波动而相互影响，没有绝对的定量界限， 处于模糊的状态。采用c c d 摄像系统观察熔池大小；采用模糊控制的方法，调节激光熔覆 规范如激光功率、光斑直径、扫描速度、送粉速率等以求达到控制熔池深度的目的，进而 控制熔覆过程的稀释率；采用神经网络技术，可对激光熔覆过程中熔池形状、热分布、熔 覆层外观尺寸及缺陷等进行光学检测和自动跟综【3 7 】。 ( 4 ) 现代的社会日新月易，对零件表面性能的要求越来越高。在这种情况下，以往一 些单一的表面处理技术已逐渐不能满足要求，而需要将多种表面处理技术结合起来，对零 件进行表面复合的强化处理。纳米材料具有小尺寸效应和表面效应，并且其熔点和晶化温 度比常用的熔覆粉末低很多。另外，纳米粒子高的界面能有利于原子扩散，提高涂层致密 化，降低涂层开裂倾向，故许多学者开始直接或间接的利用纳米材料来提高激光熔覆层的 表面性能。 ( 5 ) 激光熔覆是个非平衡的物理和冶金过程，其加热和冷却过程中的相变动力学、热 力学、界面行为、扩散行为等都与传统的固态相变理论、界面理论等有所不同。激光熔覆 的工艺参数和熔覆层性能之间的关系，熔覆过程对熔覆材料力学行为的影响，快速凝固理 论、相变理论以及界面理论等基础理论，是实现激光熔覆工业化的基础。然而，到目前为 止还没有准确理论来描述激光熔覆的全过程。虽然，许多研究人员建立了简洁、适合于现 场控制的数学分析模型，但由于熔覆材料种类的多样性、熔覆过程的复杂性和对激光与固 体物质相互作用规律认识的不足，到目前为止，还不能准确建立反映激光束和材料相互作 用、基体热传导等规律的数学分析模型，缩短确定最佳工艺参数的时间，实现熔覆工艺系 统的设计【3 8 】。 1 4 课题研究的主要内容 在大型构件的实际生产中，掌握激光熔覆过程中的温度场分布情况是非常重要的。由 于激光熔覆是一个复杂的过程，用现有的设备很难准确的得到熔覆过程的温度分布情况。 然而，在实际操作中没有足够的经验可以参考，要得到较好的熔覆层需要进行大量的实验， 7 ， 浙江：j ：业人学硕十学位论文 这样将花费大量的经费，并且所花费的人力、物力并不一定能取得应有的效果，这样就造 成了不必要的损失。因而，采用有限元的方法来研究激光熔覆的温度场是非常有必要的。 由于高度的非线性及计算量大等因素，目前的计算机在仿真时做了大量的简化，例如热源 模型和边界条件，而且也很少涉及到多道激光熔覆的问题。因而，激光熔覆的有限元模拟 还有很多需要改进的地方。 目前，国内许多科研工作者在激光熔覆温度场的有限元分析方面取得了一些成果。但 是在这些研究成果中，有限元分析结果是建立在试验测量基础上的，这样使得分析的结果 意义不大。而本课题不仅可以利用计算机模拟技术生动再现激光熔覆过程及其影响，在较 短的时间内可以得到任何测试点的随时间的温度变化曲线以及任何时刻工件和熔覆层的 温度分布情况，这些结果是现有的测试设备无法得到的。 本文研究的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 分析了几种热源模型，然后结合课题研究的情况，采用高斯热源作为激光热源模 型； ( 2 ) 利用a n s y s 的单元生死技术来模拟熔覆过程中的动态送粉过程； ( 3 ) 通过模拟熔覆过程中温度场，得到了在一定工艺参数条件下的温度场分布情况， 并且根据材料的熔点，得到了熔池的形状。 ( 4 ) 根据在一定工艺参数条件的温度场分布情况，发现了端部效应和预热问题，并研 究了端部效应对温度场的影响。 ( 5 ) 利用a n s y s 软件，采用a p d l 参数化语言，并采用有效的算法，缩短计算时间， 提高运算效率。 8 浙江下业大学硕十学位论文 第2 章有限元模型的建立 2 1引言 激光材料加工的理论模型和有限元数值模拟，是与激光的应用同步发展的。在激光熔 覆实验研究的初期，人们就己经开始了广泛的理论研究和数值模拟。这一研究，一方面是 为了探寻激光熔覆过程的物理机理，另一方面也是为了实现应用过程的工艺参数控制，获 得最佳的激光处理材料的效果。初期的模型大多是采用分析法求解，近年来则多采用数值 模拟的方法求解。 激光熔覆是一个涉及物理、传热、冶金和力学的复杂过程。在本课题的研究中，利用 a n s y s 软件实现了激光熔覆过程中温度场的有限元模拟，在此模拟过程中，建立一个合 适的模型是一个非常重要的环节。从理论上来说，有限元模拟允许考虑任何复杂的情况， 但实际上，资源和经济上的要求又有一定的限制。这就要求在建模时，要考虑哪些对结果 有直接影响或是影响较大的因素，对于那些次要的因素可以适当考虑甚至是忽略。 有限元模型是真实系统理想化的数学抽象，是进行有限元分析的基础。在a n s y s 中， 建立激光熔覆有限元模型包括几何模型、材料特性参数、单元类型、网格划分以及热源模 型等。 2 2 几何模型 激光熔覆是一个复杂的瞬态热力过程，运动中的高功率激光束对工件表面局部区域进 行快速照射加热，材料经历升温、熔化、汽化、凝固、冷却以及热膨胀、弹性变形、塑性 变形、流体流动等复杂热力过程，属于典型的非线性问题。目前还无法对激光熔覆过程中 的各种现象进行统一的耦合场分析，只能做适当的简化分析。 本文进行有限元分析时作如下简化假设： ( 1 ) 材料为各向同性； ( 2 ) 通过建立合适的熔覆层模型来间接考虑熔池流体的流动作用，将流体假设成流动 应力很低的固体； ( 3 ) 由于激光熔覆过程是局部快速加热和冷却的过程，处在激光光斑处的粉末温度急 9 浙江1 ：业人学硕士学位论文 剧升高甚至超过熔覆层材料的沸点，本文忽略材料的汽化作用。 由于在激光熔覆过程中，激光到达处的熔覆层将形成熔池，熔池因流动流动应力的作 用，表面会形成一定形状的曲面。而早期很多学者在研究激光熔覆过程中，将熔覆表面视 作一个平面，这对计算的精确性会带来一定的影响。 因此，熔池自由表面的形状，是熔覆模型中必须认真考虑的另一重大因素。从工艺上 讲，激光加工后的表面形貌是其重要的品质之一，而激光加工后的表面形貌与加工过程中 的自由表面密切相关，它决定于激光加工的热物理过程：另一方面，自由表面的形状本身 反映了作用于其上的各种力的相互平衡，它是熔池能量输入的界面，与表面张力梯度直接 相关而这又直接影响到熔池内部的流场和温度场。 熔池的液态自由表面的形状由作用在其上的力的相互平衡所决定。在自由表面上某一 点的法线方向可列出方程： a 正， p 蛔一砟一，+ 以。鲈2 ( 2 心。历 扎) + 7 k ( 2 - 1 ) 其中，g 为重力加速度，) ，为表面张力系数，k 为表面曲率。方程左端第一项为作用在 自由表面上的内压力( 液态压力) ，第二项为外压力( 粉末颗粒及其载流气体的冲击力) ； 第三项为重力；方程右端第一项为液态剪切力，第二项为表面张力。 上述方程中含有玩。，号 等量，这些量是与熔池内邻近自由表面的流动直接相关的， 因此，它将与表面上的流动边界和能量边界条件一起共同与熔池的流动与能量方程联立求 解。 上述方程中各量的确定是非常复杂的，具体求解方法还需根据熔池的动量和能量方程 的形式选定。本文为了在不失精度的情况下，我们假设： ( 1 ) 重力分布的影响不计( 名的差异不大) ； ( 2 ) 流体动量效应不计； ( 3 ) 压力差巩，一砟一，为常数。 则方程( 2 1 ) 变为： = ( 玩。一p p 一，) 7 ( 2 - 2 ) 其中，y 为表面张力系数，k 为熔池自由表面的曲率【3 9 1 。 郝南海为了研究的方便，将表面张力系数视为常数，这样熔池自由表面的曲率为一常 1 0 一 浙江上业人学硕士学位论文 数，也即将单道熔覆层截面视为半圆形。实际上，熔覆过程中的表面张力系数是存在一定 变化的，即单道熔覆层近似为月牙形，这样才更加符合实际情况【3 8 1 。 上面所提到的将熔覆层视作月牙形或是半圆形的情况，对于处理单道激光熔覆过程较 为容易实现，然而对于多道搭接的激光熔覆过程则会对建立几何模型和网格划分带来很大 的困难。由于我们研究的是单层多道搭接情况下的激光熔覆过程，因此，为了研究的方便， 我们还是将熔覆层自由表面视作平面。 另外，我们所研究的基体形状是长方体，在此基体上通过送粉法得到一层激光熔覆层。 因此我们所分析的对象是呈对称的几何形状，并且所受的载荷也是对称的。则我们可以考 虑只对一半的模型进行计算，这样可在计算精度不变的情况下，减少了划分的网格数，提 高了计算效率。 对于本文的研究，基体尺寸为3 0 m 历1 8 聊m 1 4 m 聊，考虑到对称性，只对一半的模 型进行建模，示意图如图2 1 所示。 图2 1 基体尺寸 本文研究单层多道搭接激光熔覆过程，基体和熔覆层均为长方体。单道熔覆层尺寸为 3 0 朋柳5 肌册1 0 1 朋脚。本文的搭接系数为0 4 ，为了提高计算的效率，只考虑三道熔覆层 的情况。其基体和激光熔覆的尺寸如下图2 2 ，。熔覆过程中激光束移动示意图如下图2 3 。 1 1 浙江j l 业人学硕士学位论文 图2 2 基体和熔覆层的尺寸 j x ，_ 第二道 j ， 一曲b j j 厶1 世t r 第三道 r 擐兀，j 佃刀l 口j i n jl ， j ， 1 ， i n 哥 i ， 、 1， 、| 第一道 图2 3 激光熔覆过程中激光束移动示意图 2 3 材料性能参数 要研究激光熔覆过程中温度场和应力应变场，就必须要确定基体材料和熔覆粉末材料 的性能参数。对于温度场必须确定的性能参数有导热系数( 脚1 仞) 、密度( 埒锄j ) 、 比热( 拖功) 、熔点( ) 以及基体材料和熔覆粉末的初始温度( 口) 等参数。在本 1 2 浙江j ：业人学硕士学位论文 课题中，基体材料和熔覆粉末的初始温度取为室温，也即2 0 。 激光熔覆过程属于典型的非线性瞬态分析，而如今有许多材料的热物理参数并不齐 全，特别是在高温区接近熔化状态时还是空白。为解决这一问题，可以在a n s y s 中输入 材料在典型温度值的性能参数，建立相关参数的工程数据库，而对于那些未知温度处的参 数可以通过插值法和外推法来确定。 根据相关文献【4 0 一1 可查得材料性能参数如下表2 1 和2 2 ： 表2 1 基体4 5 号钢的化学成分( 坝) 表2 2n i c r - b s i 熔覆粉末的化学成分( 叭) 入1 0 6 4 。i ，i 5 4 、 么 f 2 和 2 01 0 03 0 05 0 07 0 07 5 58 0 09 0 01 0 0 0 温度( ) 图2 4 基体4 5 钢的比热与