基于生死单元的激光熔覆温度场数值模拟_赵洪运

第31卷第5期

2010年5月焊　接　学　报T R A N S A C T I O N S O F T H EC H I N AW E L D I N GI N S T I T U T I O N V o l .31　N o .5M a y 2010

收稿日期:2009-09-28基金项目:哈尔滨工业大学(威海)研究基金资助项目(H I T (WH )

200711)

基于生死单元的激光熔覆温度场数值模拟 赵洪运,　舒凤远,　张洪涛,　杨贤群

(哈尔滨工业大学(威海)材料科学与工程学院,山东威海　264209)

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.

关键词:激光熔覆;生死单元;温度场;初始条件

中图分类号:T G 115.28　文献标识码:A 文章编号:0253-360X (2010)05-0081-04赵洪运

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A N S Y S 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A N S Y S 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A N S Y S 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/c m 2)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r P 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M a t l a b 软件采用迭代法求解.当激光功率P=2k W 时,在1500～1600K 范围内方程有解,于是初始值设为T =1500K ,通过迭代求出方程的一实根为T =1570K .

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=1500W 时,计算出

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第31卷粉末粒子温升T =1267K ,而N i 60粉末的熔点约为

1300K .说明激光功率低于1500W 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=3.0k W 时,T =2111K ,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

F i g .1　R e l a t i o nc u r v eb e t w e e nl a s e r p o w e r a n dt e m p e r a -

t u r er i s e so f p o w d e r p a r t i c l e s 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■T 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P i c a s s o 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A P D L 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 -v t (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A N S Y S 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”单元.在随后每一步的计算中,首先判断所

有“死”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=Q m e x p (-3r 2/r 2a )e x p (-βZ )(2)r =(v t -x )2+y 2(3)Q m =γP πa b h (4)

式中:Q m 为加热斑点中心的最大体热流;

β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;r a

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;γ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Q 235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 =ΔH /ΔT 来近似计算[6],其中ΔH 为熔化潜热,ΔT 为熔化温度区间.粉末颗粒熔化潜热ΔH P =0.26J /m g ,比热容c =4.59×108J /k g ℃,熔化温度

区间为[1230K ,1310K ].基体材料熔化潜热

ΔH W =

0.2739J /m g .N i 60自熔合金的密度取常温下的值8.378×103k g /m 3.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”,然后建立局部坐标系,通过＊D O 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A N S Y S 自带的函数编辑器编写高斯函数.送粉速率v a =71.36m g /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0.50m m 温度为1653K ,而基体熔点温度为1670K ,基体熔深即为0.50m m ,这与实际检测结果0.48m m