基于生死單元的激光熔覆溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

基于生死單元的激光熔覆溫度場(chǎng)數(shù)值模擬基于生死單元的激光熔覆溫度場(chǎng)數(shù)值模擬摘要 :計(jì)算了不同激光功率條件下粉末顆粒到達(dá)基底前的溫升，并以粉末顆粒到達(dá)基底前的溫度為初始條件。用生死單元法研究了單通道和多通道激光熔覆溫度場(chǎng)。利用熔池的大小和形態(tài)，驗(yàn)證了模型的可靠性。結(jié)果表明，粉末顆粒的溫升與激光功率呈線性關(guān)系。單個(gè)包層的溫度變化是鋸齒狀的。溫升過程近似為直線，溫降曲線近似為雙曲線。在多通道熔覆過程中，溫度場(chǎng)呈微橢圓形。節(jié)點(diǎn)上的熱循環(huán)經(jīng)過一個(gè)逐漸增加的峰值。峰值溫度最終趨于穩(wěn)定。0系列激光熔覆根據(jù)送粉工藝不同可分為兩種類型，即粉末預(yù)置法和同步送粉法。本發(fā)明具有易于自動(dòng)控制、激光能量吸收率高、無內(nèi)部氣孔的優(yōu)點(diǎn)。特別是對(duì)于覆層金屬陶瓷，覆層的抗裂性可以顯著提高，并且硬質(zhì)陶瓷相可以均勻地分布在覆層中。有廣闊的應(yīng)用空間。國內(nèi)學(xué)者利用ANSYS[1-4對(duì)激光熔覆過程的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了大量的研究工作。目前，利用ANSYS模擬激光熔覆溫度場(chǎng)的研究沒有考慮激光束與粉末的相互作用。事實(shí)上，激光束首先作用于粉末。除了損失的能量，部分激光束被包覆粉末吸收。另一部分通過粉末被基質(zhì)吸收。除了直接吸收激光束能量，基質(zhì)還吸收從粉末轉(zhuǎn)移到基質(zhì)的能量。因此，有必要在仿真前弄清激光能量的分布，使所建立的模型更接近實(shí)際，仿真結(jié)果更有說服力。本文將粉末在到達(dá)基體前吸收能量后的溫升作為初始溫度場(chǎng)加載到基體上。同時(shí)，利用有限元分析軟件ANSYS中的生死單元技術(shù)模擬了熔覆單元的生長(zhǎng)過程。高斯體熱源加載基體吸收的能量，模擬送粉激光熔覆的溫度場(chǎng)分布。在此基礎(chǔ)上，模擬了多道次激光熔覆的溫度場(chǎng)，研究了多道次激光熔覆的溫度場(chǎng)。當(dāng)屏蔽激光時(shí)，1粉末到達(dá)基體前的溫度為粉末。它還吸收部分激光能量，從而提高其溫度。事實(shí)上，粒子直接吸收激光輻射能量并發(fā)射輻射能量，而不考慮等離子體的影響(能量密度低于105W/cm2)。在空氣中，粉末顆粒也因空氣對(duì)流而耗散能量，并且顆粒也相互加熱。這些能量在總能量中的比例非常小。目前，關(guān)于粉體顆粒溫升的模型很少。此外，有必要在模型 [5]中建立假設(shè)條件。為了便于計(jì)算，模型中假設(shè) :(1)氣體 -粉末射流中粉末顆粒的體積分?jǐn)?shù)很低，并且受到激光反射、折射、顆粒離子間相互加熱和束屏蔽等的影響。可以忽略。 (2)粉末顆粒是半徑為rP的球體。由于粉末顆粒足夠小，它們被認(rèn)為是能量計(jì)算中的一個(gè)點(diǎn)。顆粒的導(dǎo)熱性是無限的，即粉末顆粒的溫度被認(rèn)為是均勻的，并且在光接收表面和背光表面之間沒有差異。(3)粉末顆粒僅吸收光接收表面上的能量，但是外部輻射發(fā)生在整個(gè)球體的表面上。(4)粉末不吸收來自基質(zhì)的光反射。基于上述假設(shè)，粉末顆粒的溫升可以根據(jù)顆粒的能量方程來計(jì)算。這個(gè)方程是一個(gè)非線性方程。利用Matlab軟件，采用迭代法求解方程。當(dāng)激光功率 P=2kW時(shí)，方程的解在1500~1600k范圍內(nèi)，因此初始值被設(shè)置為t=1500k，并且通過迭代發(fā)現(xiàn)方程的一個(gè)實(shí)根是 t=1570k。改變激光功率，獲得了當(dāng)粉末離子在不同激光功率下到達(dá)襯底時(shí)的溫度，如圖1所示，隨著激光功率增加，粉末顆粒的溫升在到達(dá)基體之前逐漸增加，并且以近似線性的關(guān)系增加。當(dāng)激光功率 P=1，500W時(shí)，計(jì)算出粉末顆粒的溫升T=1,267K,而Ni60粉末的熔點(diǎn)約為1,300K。這表明當(dāng)激光功率低于1,500W時(shí)，粉末在到達(dá)基體之前不會(huì)熔化，因此粉末顆粒將以固體顆粒的形式與基體碰撞，飛濺嚴(yán)重。即使一些粉末顆粒熔化形成熔池，也不能保證基體的滲透。當(dāng)激光功率P=3時(shí)。0kW,T=2111K，粉末顆粒的溫度遠(yuǎn)高于熔點(diǎn)溫度，這將導(dǎo)致一些粉末顆粒的燃燒損失。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，激光功率應(yīng)控制在±的合理范圍內(nèi)。圖1激光功率對(duì)單個(gè)激光熔覆層的粉末顆粒溫度曲線圖11模型。在建立熱源模型的過程中，粉末在到達(dá)襯底之前與激光束相互作用。激光束對(duì)粉末的影響是通過初始溫度 vT實(shí)現(xiàn)的，即假設(shè)在粉末飛行過程中吸收的所有有效能量都用于加熱并作為初始溫度場(chǎng)施加到包層單元。根據(jù)畢加索的理論，基體吸收的能量可分為兩部分 :直接吸收和粉末傳熱?；w直接吸收的熱量是通過體熱源的形式實(shí)現(xiàn)的。用APDL語言編寫了熱源移動(dòng)過程的程序。在實(shí)際操作中，總是使用全局笛卡爾坐標(biāo)系作為解的坐標(biāo)系，并且在局部坐標(biāo)系下施加載荷。因此，從全局坐標(biāo)系到局部坐標(biāo)系的變換是通過包層方向的坐標(biāo)變換來實(shí)現(xiàn)的，即z=Z-vt(1):Z是全局笛卡爾坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；z是局部笛卡爾坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；v是光源移動(dòng)的速度；t是光源移動(dòng)的時(shí)間。利用ANSYS中的生死單元技術(shù)模擬包層單元的生長(zhǎng)過程。在計(jì)算開始時(shí)，所有包層單元都設(shè)置為/dead0單元。在每個(gè)隨后的計(jì)算步驟中，首先確定所有/死亡的0細(xì)胞是否落入激光束的照射區(qū)域。如果它們落入激光束的照射區(qū)域，它們將被激活并包含在計(jì)算模型中。熱源模型中粉末顆粒的溫升通過解析計(jì)算。被襯底直接吸收的激光束熱源模型使用圓柱形高斯體熱源來模擬包層和襯底中的三維分布和熱傳導(dǎo)。體熱密度表示為Q=Qmeexp(-3R2/R2A)EXP(-BZ)(2)R =(Vt-x)2+Y2(3)QM=CPPABH(4)，其中QM是加熱點(diǎn)中心的最大熱流；b是激光體的熱密度沿厚度方向的衰減系數(shù)；r是從某一深度的任何一點(diǎn)(x,y)到物體熱流中心的距離；Ra是激光的有效作用半徑。a和b是高斯熱源的長(zhǎng)軸和短軸；h是包層深度；c是基質(zhì)對(duì)激光的吸收系數(shù)。2.2材料熱物性參數(shù)激光熔覆工藝是加熱 )熔化)凝固)冷卻工藝，包括相變。相變熱模型在數(shù)學(xué)上是一個(gè)強(qiáng)非線性問題，使得計(jì)算困難。對(duì)于Q235基體材料，在糊狀熔化區(qū)調(diào)整比熱容c=$H/$T,以近似計(jì)算［6］。其中，$H是熔化潛熱，$T是熔化溫度區(qū)間。粉末顆粒的熔化潛熱為 $HP=0。26焦耳/毫克，比熱容c=4。59@108J/kge,熔化溫度區(qū)間為［1230K,基體材料的熔化潛熱1310K］HW=0.2739j/mg°ni60自熔合金的密度取值為8。常溫下為378@103kg/m3。為了獲得一個(gè)好的收斂解，牛頓延33樣品拓法的線性搜索被激活。3單個(gè)激光熔覆溫度場(chǎng)的模擬考慮了對(duì)稱性。取 1/2的工件進(jìn)行分析。八節(jié)點(diǎn)六面體等參元用于離散工件。為了保證計(jì)算精度，網(wǎng)格在包層及其鄰近部分進(jìn)行細(xì)化。該程序是利用生死元素技術(shù)編制的。首先，包層的個(gè)元素存儲(chǔ)在預(yù)定義的陣列中，所有元素都被 0殺死。然后，建立局部坐標(biāo)系，通過 *DO循環(huán)實(shí)現(xiàn)光斑的運(yùn)動(dòng)。判斷包層單元是否在激光光斑范圍內(nèi)，如果有，激活該單元，如果沒有，直接進(jìn)入下一個(gè)周期。將粉末顆粒的溫升作為初始載荷加載到激活的包覆單元。矩陣直接吸收的能量通過高斯體熱源施加。高斯函數(shù)是用ANSYS內(nèi)置的函數(shù)編輯器編寫的。粉末進(jìn)料速率 va=71。模擬了熔覆層隨著激光光斑的移動(dòng)而逐漸生長(zhǎng)的過程。圖2是當(dāng)襯底溫度降低時(shí)的溫度場(chǎng)的等值面圖。在圖中，最高溫度區(qū)域的邊界，即溫度 0。襯底對(duì)稱面上距襯底上表面 50毫米處為1653K，襯底熔化溫度為1670K，襯底穿透深度為 0。50毫米，這與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果 0。基于生死單元的激光熔覆溫度場(chǎng)數(shù)值模擬 83。通過這種測(cè)定熔點(diǎn)的方法，確定熔融寬度為216毫米。與2的測(cè)量結(jié)果吻合較好。圖3示出了測(cè)試樣品包層的金相結(jié)構(gòu)和數(shù)值模擬形態(tài)的比較。圖2襯底溫度場(chǎng)等值面圖圖2襯底溫度場(chǎng)等值面圖圖3金屬圖形薄膜和熔池溫度場(chǎng)的金相形態(tài)和數(shù)值模擬形態(tài)對(duì)比根據(jù)以上分析，本文采用的模型合理可行，可以進(jìn)行下一步的模擬分析圖4示出了包層中序列號(hào)為740的節(jié)點(diǎn)（x=0.000，Y=0。0008m，z=0。021米）。當(dāng)時(shí)間t=6時(shí)。667秒，光斑開始被激光光斑直接照射，溫度迅速上升。當(dāng)t=7時(shí)。0秒，激光光斑的中心移動(dòng)到該點(diǎn)，溫度上升到最高點(diǎn)。當(dāng)t=7時(shí)。333秒，光點(diǎn)移出該點(diǎn)，該點(diǎn)的溫度迅速下降。溫升曲線近似為直線。冷卻曲線的曲線近似為雙曲線的一個(gè)分支，整個(gè)曲線呈鋸齒狀。計(jì)算曲線的導(dǎo)數(shù)。此時(shí)可以得到溫度變化率曲線。圖4溫度變化曲線圖14溫度變化4實(shí)現(xiàn)多通道激光熔覆溫度場(chǎng)模擬4.1多通道重疊激光熔覆模型激光功率為2。0千瓦，掃描速率為3。0毫米 /秒，送粉速度為 71。根據(jù)上述熔覆粉末到達(dá)基底時(shí)的溫度計(jì)算，初始溫度為1570K。為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，僅覆蓋三個(gè)熔覆道次，重疊率為20%。這是因?yàn)橛性S多包層數(shù)據(jù)文件，輸出負(fù)載步進(jìn)數(shù)超過 1000。為了分析包層上的熱循環(huán)，在第一個(gè)頂點(diǎn)取點(diǎn)A，在第二個(gè)和第三個(gè)頂點(diǎn)取點(diǎn)B和點(diǎn)C，分析不同包層上相同位置點(diǎn)的熱循環(huán)。圖5是多通道研磨和拾取點(diǎn)的示意圖。55結(jié)論5是多通道搭接順序和拾取點(diǎn)圖15的示意圖，順序?yàn)槎嗤ǖ兰す馊鄹埠褪叭↑c(diǎn)4.2多通道搭接激光熔覆 16的模擬結(jié)果分析。包層需要667s。激光返回日t間設(shè)置為1秒，即通道間重疊時(shí)間間隔為1秒。完成熔覆和在空氣中冷卻大約需要 52秒。圖6示出了第一激光返回過程結(jié)束時(shí)，即第二激光返回過程結(jié)束時(shí)的溫度場(chǎng)分布。雖然返回時(shí)間很短，但溫度場(chǎng)變化很大。最高溫度為861K，接近最低溫度630K，溫度場(chǎng)趨于平衡。圖 7示出了第三包層工藝中某一時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布，其示出了溫度場(chǎng)呈延遲的部分橢圓形狀。也就是說，溫度為度的場(chǎng)橢圓沒有光斑圖6多通道熔覆溫度場(chǎng)云圖圖16作為第二個(gè)剛完成的的溫度場(chǎng)輪廓中心對(duì)稱，但它向熔覆層已經(jīng)形成的一側(cè)傾斜，這是多通道溫度場(chǎng)不同于單通道熔覆的地方。多通道包層形成部分橢圓形的原因。原因是形成包層的前一次通過首先對(duì)隨后的包層有影響，并且包層首先具有相對(duì)于非包層區(qū)域的初始溫度差。因此溫度場(chǎng)不能沿掃描線對(duì)稱。圖7溫度場(chǎng)分布云圖圖17溫度場(chǎng)等值線如權(quán)利要求 3所述根據(jù)圖5所示的取點(diǎn)方法，分析每個(gè)包層上的熱循環(huán)。圖8中示出了點(diǎn) a、b和c處的溫度隨時(shí)間的變化。從圖8可以看出，三條曲線上的最高峰值溫度逐漸增加，因?yàn)辄c(diǎn)a是第一包層上的點(diǎn)，點(diǎn)b和c分別是第二和第三包層上的點(diǎn)。前一道次的熔覆相當(dāng)于后續(xù)道次的預(yù)熱熔覆。圖8A和B以及C點(diǎn)溫度變化曲線圖18A、B和C點(diǎn)溫度變化5結(jié)論(1)激光熔覆送粉過程的模擬計(jì)算是通過 ANSYS生死單元技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。實(shí)驗(yàn)證明，該模型用于模擬送粉激光熔覆溫度場(chǎng)是合理的。發(fā)現(xiàn)粒子溫升與激光功率之間存在線性關(guān)系。(2)模擬表明，單程熔覆過程中熔覆層的溫度變化呈鋸齒形，加熱過程近似呈線性上升，冷卻曲線近似呈雙曲線分支。(3)多道次熔覆過程中的溫度場(chǎng)呈現(xiàn)延遲的部分橢圓形狀。也就是說，溫度場(chǎng)橢圓向已經(jīng)形成包層的一側(cè)傾斜。后一層的最高溫度高于前一層，與襯底或包層上的點(diǎn)無關(guān)。然而，隨著熔覆道次的增加，最高溫度將趨于穩(wěn)定。圖8A和圖8B及圖8C溫度變化曲線圖18A點(diǎn)、B點(diǎn)