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.

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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