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激光熔覆的温度及应力分析和数值模拟(硕士论文)
谢０工工善女缘 硕士学位论文论文题目： 邀盘蝗藿曲显廛星应盘佥堑ｉ！塾焦撞越作者姓名―――挂―凰―塑――一指寻教师―――整―董―皇望生｜＿塑里基墼蕉学科专业――上型赶垂进墨墨煎二一所在学院―――巫盘占壁生堕―一提交日期――型业主』』一浙江工业大学硕士学位论文激光熔覆的温度及应力分析和数值模拟摘 要激光熔覆技术能把高性能的合金材料熔覆到价格低廉的金属件上，可以改善制品的性能，且热影响区极小，零部件基本不变形，特别适合于零部件的磨损及模具失效表面的修复。 本文研究的主要内容有：ｌ通过对激光熔覆过程中，金属带横截面形成机理的研究，提出了准稳态系统，并对激光工艺参数的相互联系进行讨论。在熔覆层全熔情况下，利用质量与能量的守恒定理， 计算出激光功率的最小及最大的临界值。２采用预置法，在热作塑料模具钢Ｐ２０表面激光熔覆Ｈ１３粉，利用有限元ＡＮＳＹＳ分析软件，选用高斯热源分布的近似热源模型，通过二次开发语言ＡＰＤＬ实现移动热源 的加载和卸载；建立了激光熔池瞬态温度分布模型；并利用温度场和应力场的间接耦合， 最终得到残余应力场。通过实验验证了本文建立的三维激光熔覆温度场的动态模型，及冷 却后的残余应力场的模型是有效的。 ３利用ＡＮＳＹＳ模拟不同激光功率时的温度场，得出熔池的最高温度、温度上升的速度及最大冷却速度均与激光功率成正比，但温度梯度大致相同。单纯的靠提高激光功率对于降低冷却速度，减小残余应力，作用不大。 ４利用ＡＮＳＹＳ模拟不同模型，不同激光束起始作用位置，得出，当激光束的扫描起 始位置距离工件熔覆边缘大概２ｍｍ开始作用，可以有效的解决边角能量集中导致塌陷的 问题，同时也能减小由表面张力差造成的高度差。并用实验验证了该方法能在不改变激光 参数的情况下，有效的解决边缘塌陷问题。关键词ｔ激光熔覆，数值模拟，温度场，残余应力浙江工业大学硕士学位论文ＡＮＡＬＹＳＩＳ ＡＮＤＮＵＭＥＲＩＣＡＬ ＳＩＭＵＬＡＴＩｏＮｏＦＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ ＡＮＤＳＴＲＥＳＳ ＤＵＲＩＮＧ ＬＡＳＥＲＣＬＡＤＤＩＮＧ ＰＲＯＣＥＳＳＡＢ ＳＴＲＡＣＴＬａｓｅｒ ｃｌａｄｄｉｎｇ ｉｓ ｗｉｔｈａｎａｄｖａｎｃｅｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｂｙ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ａｌｌｏｙ ｐｏｗｄｅｒｃａｎｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｄｅｐｏｓｉｔｏｎｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ａｃｃｅｓｓｏｒｉｅｓ ｍａｄｅｂｙ ｃｈｅａｐ ｍｅｔａｌ，ｔｈｅｚｏｎｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅｓｕ．ｒｆａｃｅａｒｅｉｍｐｒｏｖｅｄ，ａｌｓｏ ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｓｍａｌｌ ｈｅａｔ ａｆｆｅｃｔｅｄａｎｄ ｓｍａｌｌａｃｃｅｓｓｏｒｉｅｓ．Ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ，ＬＣ（Ｌａｓｅｒ Ｃｌａｄｄｉｎｇ）ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｓｐｏｗｅｒｆｕｌ ｔｏ ｒｅｐａｉｒ ｔｈｅｗｅａｒ ｏｒ ｉｎｖａｌｉｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆｐｒｅｃｉｏｕｓ ｐａｒｔｓ，ｍｏｕｌｄｓ ｅｔｃ． Ｔｈｅｒｅ １ａｒｅｆｏｕｒ ａｓｐｅｃｔｓ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ：ｏｎＡ ｑｕａｓｉ―ｓｔｅａｄ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｆｉｎｅｄ ｂａｓｅｄｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｏｆ ｃｌａｄ ｐｒｏｆｉｌｅｃｒｏｓｓ．ｓｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｌａｗ ｏｆ ｈｅａｔ ａｎｄ ｍａｓｓ ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ａｎｄ ｍｉｎｉｍｕｍ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｐｏｗｅｒｃａｎｂｅ ｇｉｖｅｎ． ２ Ｈ１ ３ ｐｏｗｅｒ ｉｓ ｐｒｅｐｌａｃｅｄｏｎｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｍｏｕｌｄ ａｎｄ ｉｓ ｓｉｎｔｅｒｅｄ ｂｙ ｌａｓｅｒ．Ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｒｅｓｉｄｕａｌｓｏｕｒｃｅｓｔｒｅｓｓ ｆｉｅｌｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓａｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ＡＮＳＹＳ，ｎｅａｒ ｇａｕｓｓ ｈｅａｔＤｅｓｉｇｎｍｏｄｅｌ ｉｎｔｏ ａｃｃｏｕｎｔ，ｕｓｉｎｇ ＡＰＤＬ（ＡＮＳＹＳＰａｒａｍｅｔｅｒＬａｎｇｕａｇｅ）ｔｏｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｉｓｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆｔｈｅｒｍａｌｆｌｏｗ，Ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ｐａｔｈ ｏｆｓｃａｎｎｉｎｇ．Ｔｈｒｅｅ―ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ（３Ｄ）ｍｏｄｅｌｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｈｉｓｔｏｒｉｅｓ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｆｉｅｌｄｓ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ，ｉｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ．３ Ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌａｓｅｒ ｐｏｗｅｒ ｍｏｄｅｌｓ ｕｓｉｎｇ ＡＮＳＹＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｉｔ ｉｓ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ、ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｈｅａｔｉｎｇ ａｎｄＩｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ｐｏｗｅｒ ｏｎｌｙ ｈａｓ ｌｉｔｔｌｅ ｅｆｆｅｃｔ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ．Ⅱｃｏｏｌｉｎｇ ｒａｔｅ ｏｆ ｃｌａｄｄｉｎｇ ｌａｙｅｒａｒｅｄｉｒｅｃｔｌｙｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｔｏ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ｐｏｗｅｒ，ｂｕｔ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｉｓ ａｌｍｏｓｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ．ｏｎｔｈｅ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｏｌｉｎｇｒａｔｅａｎｄ ｔｈｅ浙江工业大学硕士学位论文４ Ｕｓｉｎｇ ＡＮＳＹＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｔｏ ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｏｄｅｌｓ，ｔｏ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｔａｒｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ｂｅａｍ，ｉｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｄｅｎｔｃａｎｂｅ ａｖｏｉｄｅｄｏｎｂｏｒｄｅｒ ｉｆ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ｂｅａｍ ｓｔａｒｔｓ ｗｏｒｋｉｎｇ ２ｍｍａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅ ｈｅｉｇｈｔ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｎｓｉｏｎ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｅｓｔ ａｎｄａｎａｌｙｓｉｓ，ｉｔ Ｃａｎ ｂｅｋｎｏｗｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄＣａｎ ａｖｏｉｄ ｄｅｎｔｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｗｉｔｈｏｕｔ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｏｔｈｅｒｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：Ｌａｓｅｒ Ｃｌａｄｄｉｎｇ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ，ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｆｉｅｌｄＩＩＩ浙江工业大学 学位论文原创性声明本人郑重声明：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。对本文的研究做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：世，丑日期：２００９年５月１５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、不保密团。 （请在以上相应方框内打“４”）作者签名： 导师签名：日期：２００９年５月１５日侈吲＾儿¨Ｗ３吧百灵呼蓼日期：２００９年５月１５日浙江工业大学硕士学位论文第一章绪论１．１研究背景在生产领域中，各种机械零件设计的选材原则是要保证其强度、刚度、抗疲劳、耐摩 擦磨损、耐腐蚀等性能，以满足各种环境条件下的应用。然而，机械零件在工作中与外界 环境接触的只是其表面，目前很多零件的失效也都是从其表面开始的，如各种类型的磨损、腐蚀、压溃、扭转或弯曲疲劳断裂的裂纹源也产生于表面并逐渐向内扩展，最后导致断裂。材料本体与表面工作环境的差异导致了传统材料设计中的整体均匀性原则不再适应新材 料发展的要求，这就需要对材料表面的某些部位进行特殊处理，在保持材料整体性能不变 的同时改善其表面的性能，既降低材料整体均匀性设计中的成本，又提高材料的利用率【ｌ】。众所周知，磨损和腐蚀是模具的主要破坏形式，目前在我国的许多企业中，模具的使用寿命低而造成的钢材、工时和能源浪费，以及对产品质量影响所带来的损失，每年达数 十亿人民币。而模具的失效往往首先是从其表面开始的，采用表面防护措施来延缓和控制 表面的破坏，成为解决上述问题的有效方法１２］。 激光熔覆是２０世纪７０年代材料科学中逐渐兴起一项技术，在８０年代得到了很大的 发展，是继激光淬火之后，第二个在工业中获得应用的一种激光表面改性技术。它是采用 激光加热，使基体材料仅表面极薄层熔化，同时加入另外的合金成分并一起熔化后迅速凝 固形成新的合金层。热输入和畸变较小，涂层稀释率低，基体保持其原有成分及性质不变， 从而提供良好的耐磨损、抗腐蚀能力；同时，也是激光表面改性技术中发展最为迅速，最 具有广泛应用前景的技术。利用该技术可以在低成本基体上面覆盖上耐磨、耐蚀、耐高温、抗氧化、隔热、绝缘、热辐射、抗辐射、导电和生物功能等多种特性的表面强化层，在信息、能源、航空航天、汽车、新材料制备和生物医学领域展示了广阔的应用前景【３】。１．２国内外研究现状国外对激光熔覆加工的研究起始于上世纪８０年代，比我国早十年左右的时间，研究主要集中在下面三个地区：欧洲（德国、英国、芬兰、法国、荷兰、瑞典、葡萄牙）、北美（美国）和亚洲（日本、澳大利亚、新加坡）。浙江工业大学硕士学位论文我国对激光熔覆／ｒｏＴ的研究始于上世纪９０年代初期，从九十年代中后期至今一直保持高涨的研究热情，研究范围广泛，研究前景良好。目前，国内绝大多数高等院校及研究所都在开展有关激光熔覆技术等方面的研究工 作，主要有：清华大学、华中科技大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、北京工业 大学、中国科学院、中国有色金属总院、香港理工大学、天津工业大学、西北工业大学、 大连理工大学、长春光机学院、东北大学等，我校也设有激光加工技术工程研究中心，主 要任务是激光工程技术应用研究开发，各种激光加工工艺技术开发及相应配套设备的研 制。 早期激光熔覆（１９８５年．１９９２年）主要集中在熔覆特性，不同材料与基体组合的激光熔 覆工艺及参数，激光熔覆层的微观组织结构和金相分析、性能、缺陷以及激光熔覆应用等 方面研究。现代激光熔覆（１９９３年至今）主要集中在激光熔覆基础理论和模型、熔覆设备（包括激光器、送粉装置、监控系统等）与专用材料研制与开发、激光工艺参数对熔覆区分布、熔 池形状、熔覆层质量的影响；激光熔覆温度场和流场的模拟等温线和梯度分布情况；表面张力梯度和流体之间、液气界面表面张力梯度和温度、成分之间函数关系及模型的建立；熔覆层相结构、相成分的鉴定；熔覆层与基体之间的结合力、耐磨耐蚀机制、裂纹形成与控制方法的研究；熔覆层最高温度与激光功率、基体预热温度关系的研究；熔覆应力场和残余应力、变形的研究；熔覆层裂纹形成与消除机制；激光熔覆过程关键因素的检测与控制；高性能送粉器和喷嘴；用激光熔覆制备新材料；单层及多层激光熔覆对性能的影响等 等方面；基于激光熔覆的快速成形与制造技术等领域的研究。过程模拟的技术越来越复杂，功能也越来越强大，模型的建立也从一维逐步发展到三维，更能准确的对激光熔覆的过程进行模拟仿真。其中研究最多的是：在高性能送粉器和喷嘴的研究上，张正伟等人【４】分析了已有用于激光熔覆和激光熔覆 快速成形技术送粉喷嘴存在的问题，研制了一种在以激光束为中心轴的圆周方向均匀对称 分布四个具有同轴汇聚气的双层送粉管的送粉喷嘴。李朋【５】提到为了获得较薄的熔覆层，根据螺旋传动的原理，设计和制作了激光熔覆同步送粉器，并利用Ｎｉ基合金粉和刖粉 进行了相关测试，试验结果表明改变螺纹轴直径或转速可以连续调节送粉速度。在激光熔覆制备耐磨、耐蚀金属复合涂层性能的研究上，董世运等人【６】将ＬＦＣｕｌ６熔覆 于ＺＬｌ０４上，涂层组织由界面结合区的粗大枝晶过渡到细小枝晶，再由涂层下部的胞晶逐 渐过渡到涂层中部及顶部的细小枝晶和等轴晶。激光熔覆铜合金的显微硬度为３５０－４００ＨＶ，２浙江工业大学硕士学位论文为ＺＬｌ０４基体材料显微硬度（９０．１ １０ＨＶ）的４＂－＇５倍。骆芳等人ｍ指出在不锈钢基体上，对Ｎｉ、 Ｃｒ、Ｃｕ，Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏ，Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｗ等合金粉末进行激光熔覆，用Ｘ射线衍射分析和能谱分析测定了熔覆层物相组成，利用极化曲线评价了熔覆层的耐蚀性。结果表明，Ｎｉ、ｃｒ、Ｃｏ合金粉获得的覆层具有高的表面硬度和耐蚀性，具有应用开发前途。Ｓｏｒｉｎ Ｉｇｎａｔ［８】等， 用激光对ＷＥ４３和ＺＥ４１镁合金材料采用侧送粉方式激光熔覆舢合金粉，成功地获得了 规则、坚固的单层和多层熔覆层，无多孔和裂纹，显著地提高了镁合金材料的硬度，其耐 蚀性也获得一定的改善。胡乾午等人【９】采用喷涂厚度为０．１０ ｒｎｌＴｌ，左右的铜合金，经过激 光熔覆，可以获得厚度为Ｏ．０５．０．１０ｍｍ的熔覆层。激光试样的相对腐蚀电动势比未处理试 样高３．７倍以上，相对腐蚀电流密度比未处理试样低约２２倍，研究表明激光熔覆Ｃｕ６０Ｚｎ４０ 层可以显著提高Ｍｇ．ＳｉＣ复合材料的耐蚀性。北京航空航天大学王华明等【ｌｏ】激光熔覆Ｔｉ２Ｎｉ ３Ｓｉ／Ｎｉ３Ｔｉ可使涂层显微组织的硬度、耐磨性和耐蚀性提高。香港理工大学Ｔ．Ｍ．Ｙｕｅ，Ｋ．Ｊ．Ｈｕａｎｇ［１Ｈ等，在铝合金表面激光熔覆Ａ］２０３，得到良好的微观组织和晶界；瑞士Ｓ．Ｎｉｅｄｅｒ．ｈａｕｓｅｒ，Ｂ．Ｋａｒｌｓｓｏｎ【１２】等，通过在钢的表面熔覆Ｃｏ．Ｃｒ，得到熔覆层可提高其表面硬度、 抗拉强度以及疲劳寿命等机械性能。葡萄牙先进技术研究所、荷兰格罗宁根大学、德国克 劳斯特尔大学和夫朗和佛光束技术研究所，荷兰格罗宁根大学Ｖ．Ｏｃｅ．１ｉｋ，Ｄ．ＭａｔｔｈｅｗｓａｎｄＪ．Ｔｈ．Ｍ，通过激光熔覆在ＴｉＢ２／Ｔｉ．６Ａ１．４Ｖ，ＳｉＣ／Ａ１．８Ｓｉ，ＷＣ／Ｔｉ．６Ａ１．４Ｖ材料涂层对其滑动摩擦性能进行了研究，通过与基体材料的比较得知涂层性能得到提蒯１３】。在激光熔覆工艺参数的研究上，清华大学的张庆茂等教授【１４１利用单位质量熔覆材料的 比能和单位时间实际输入的比能随工艺参数的变化规律，成功的解释了在激光参数一定的条件下稀释率随扫描速度的增加而减小，随送粉速率的增加而减小，为进一步研究熔覆层 的凝固行为、显微组织与工艺参数的关系奠定了理论基础。大连理工大学ｆ１５】选用优化的激光工艺参数，利用激光熔覆工艺在４５钢表面原位合成硬质ＴｉＢ２陶瓷颗粒，增强Ｎｉ基复合材料涂层。对涂层的显微分析表明ｔ－涂层中存在细晶强化、硬质颗粒弥散强化、固溶强化和 位错堆积强化等强化机制，涂层熔覆质量良好。Ｓ．Ｋｕｍａｒ和Ｓ．Ｒｏｙｃｌ６】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（Ｐ）和扫描速度（功的比值（引功总应保持较小，为了获得期望的熔 覆层厚度，功率尸也要加以控制。 在激光熔覆过程显微裂纹和残余应力的研究上，Ｒ．Ｊａｇｄｈｅｅｓｈ等人［１７】在对３ １ ６Ｌ不 锈钢表面激光熔覆Ｓｉ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２５Ｗ／ｍｍ２的情况下，熔覆层浙江工业大学硕士学位论文会产生显微裂纹。波兰格但斯克理工大学【ｌ ｓ】等，通过在Ｘ１０Ｃｒｌ３表面熔覆钨铬钴合金ＳＦ６ 双熔覆层，研究了预热温度对显微裂纹和应力的影响。荷兰格罗宁根大学等【１９】，通过Ｘ射线同步衍射技术对Ｃｏ基熔覆层残余应力进行了检测和分析。张光钧等【２０】采用激光熔 覆工艺在不锈钢基体上形成镍基纳米碳化钨复合镀层，在铸铝表面形成纳米Ａ１２０３／Ｔｉ０２ 镀层，消除了复合镀层显微组织的孔隙及裂纹，大大提高了涂层的结合强度和耐磨性。 Ｒ．Ｋａｕｌ等【２１１通过用低热量输入的激光熔覆工艺来控制硬质表面的熔覆层稀释率的大小，得到了奥氏体不锈钢基体上低稀释率的熔覆层，通过控制加热和冷却速度减少了熔覆层裂 纹数。日本名古屋大学等【２２１，通过化学成分不变（ＣＣＣＭＬＣ）和化学成分成梯度分布（ＦＧＭＭＬＣ）多层熔覆层不同的方法，在碳钢ＪＩＳ．ＳＭ４００Ｂ表面熔覆钨铬钴合金和ＷＣ合 金熔覆层，指出显微裂纹产生的敏感性ＦＧＭＭＬＣ低于ＣＣＣＭＬＣ。澳大利亚斯温伯恩理 工大学【２３】，研究了激光熔覆过程中，激光功率和熔覆搭接率对稀释率和裂纹的影响，指出 脉冲能量在１ ８Ｊ／ｐｕｌｓｅ和２５Ｊ／ｐｕｌｓｅ，以及搭接率为８９％以及脉冲频率为４０Ｈｚ时稀释率 最小４％，搭接率愈低裂纹产生几率愈高。 在滑动磨损、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下，纯Ｎｉ基、Ｃｏ基和Ｆｅ基合金粉末已经 满足不了使用工况的要求，因此在合金表面激光熔覆金属陶瓷复合涂层已经成为国内外学 者研究的热点。目前已经进行了钢、钛合金及铝合金表面激光熔覆多种陶瓷或金属陶瓷涂 层的研究。如在钢表面激光熔覆ＮｉＣｒＢＳｉ．ＷＣｔ矧涂层、ＭｏＳｉ２／ＴｉＣ／Ｎｉ涂层［２５】、ＣａＨＰ０４． ２Ｈ２０．ＣａＣ０３涂层、Ｎｉ．Ｃｒ３Ｃ２【２６１和Ｎｉ．ＷＣ涂层及Ａ１２０３．Ｔｉ０２涂层ｆ２７】等等；在钛合金表面激 光熔覆Ｎｉ．Ｔｉ．Ｓｉ，ＮｉＣｒＢＳｉ．ＴｉＣ、Ａ１２０３．ＳｉＣ、ＴｉＮ、Ｔｉ．Ｃｒ３Ｃ２涂层、Ｂ４Ｃ．ＮｉＣｒＢＳｉ涂层［２８】：在 铝合金表面激光熔覆Ｍｏ．ＷＣ涂层、Ｍｏ．ＴｉＣ涂层【２９ｌ、ＭｏＳｉ２．ＳｉＣ涂层即】、Ｓｉ．ＴｉＣ涂层等等。 另外，激光熔覆应用于增强零件机械性能方面也有很大的进展，如：近年来日本的汽车制造业开始采用激光表面合金化技术对汽车排气阀实施激光涂覆钨铬钴合金层，与传统的乙炔涂覆法相比，激光表面合金化处理成本低，涂层寿命高；日本雅马哈摩托车公司为 了提高新鲜混合气体的填充效率，在四冲程发动机上采用二进二排的四气门机构后，又采 用了三进三排的五气门机构，省去气门座，直接在缸盖上进行激光熔覆，使功率提高了 １０％，燃油消耗降低了５０％ｔ３１１。１．３激光熔覆存在的问题和发展方向尽管激光熔覆技术近年来得到了迅猛发展，并取得了良好的效果，具有广阔的应用前 景，成为提高材料表面耐磨性的有效途径之一。但是，我们也应该注意到，激光熔覆技术４?浙江工业大学硕士学位论文中还有许多关键问题还没有得到解决： １激光处理设备的能量分布均匀性和稳定性存在不足。可采用大功率、波长短的激光宽带熔覆技术可以较好的解决上述问题。采用波长较短的激光光源，提高激光与材料表面的耦合，已经开发的准分子的波长为１９３．３５１ｒｉｍ，比红外激光波长短得多，既可以被更细地聚焦，也可被许多材料（金属、玻璃、陶瓷、塑料等）有效吸收，可实现较大面积的表面处理。准分子激光目前尚未应用于激光熔覆领域，其应用前景有待于进一步研究开发。 ２配套装置尚未达到工业生产应用的水平。目前常规应用的激光熔覆的成套设备和辅 助设备相对比较落后，送粉装置多为氢气单管吹送，其送粉的连续性和均匀性较差。我国 新研制的自动送粉机构需要解决与之配套的系列装置（如反射镜、透镜及其它辅助设施等） 及熔覆材料的添加方式（预覆或送粉）和工艺的稳定性。３激光熔覆技术在国内尚未完全实现产业化的主要原因是熔覆层质量的不稳定性，即表面不平整，后续机加工量较大，且合金层与基体的交界处易出现裂纹、夹杂和孔洞等缺陷，给实际应用带来很大的困难。其中，特别突出的就是激光熔覆层的裂纹问题。怎样消除裂纹是困扰国内外研究者的一大难题，也是工业推广应用的一大障碍，因此，许多学者●开展了相关深入的研究。而裂纹的形成是一个十分复杂的过程，与基体、熔覆材料的匹配 有关，与熔覆过程的加热、冷却、温度变化、熔池凝固、残余应力等都有关［３２】。 因此，合理设计覆层材料，优化激光熔覆工艺，解决激光熔覆技术中常见的覆层裂纹 是必须的，也是必要的。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 之间的热膨胀系数的差异，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。在这种覆层中，金属基体与覆层间无明显界面，因而大大降低了涂层中的应力，提高了覆层与基体的结合强度。梯度熔覆最简便的方法是采用叠层熔覆方法，即逐层改变混合物中覆层颗粒的含量和粒度，经多层熔覆后，覆层颗粒在 覆层中的分布呈现台阶变化的规律，过渡层数越多，则越接近于理想的连续分布【３３１。 值得注意的是，近年来，国内外学者研究了熔覆层裂纹与涂层材料的关系后指出，借助于热喷涂粉末来进行激光熔覆是不科学的。为了防止喷涂时由于温度的微小变化而发生流淌，热喷涂合金的成分往往被设计成具有较宽的凝固温度区间，将这类合金直接应用于激光熔覆中会因为流动性不好而带来气：ＹＬｆ口７题【３４３。另外在热喷涂粉末中加入了较高含量的Ｂ、Ｓｉ，Ｂ和Ｓｉ的加入一方面降低了合金的熔点，另一方面作为脱氧剂可还原金属氧化物， 生成低熔点的硼硅酸盐，起着脱氧造渣的作用。然而与热喷涂相比，激光熔池寿命较短，浙江工业大学硕士学位论文这种低熔点的硼硅酸盐往往来不及浮到熔池表面而残留在涂层内，在冷却过程中形成液态薄膜，加剧覆层开裂。４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ＣＣＤ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【３５１。 ５随着现代科学技术的发展，对零件表面性能的要求越来越高，零件服役的条件也越 来越苛刻。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 ２种或２种以上的表面处理技术综合起来对零件进行表面复合强化处理。由于纳米材料的小 尺寸效应和表面效应，且熔点和晶化温度比常规粉体低很多，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，故许多学者开始采用直接或间接的利用 纳米材料的优异特性，提高激光熔覆层的耐磨耐蚀性能。 ６激光熔覆以极快的速度熔化和凝固，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，找出它们与激光工艺参数和熔覆层性能之间的关系以及对熔覆材料力学行为的影响，丰富和完善快速凝固理论、相变理论和界面理论等基础理论，是激光熔覆实现．工业化的基础，但是到目前为止还没有准确理论来描述激光熔覆的全过程。许多研究人员虽建立了简洁、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【３６】。１．４研究内容和技术安排激光熔覆也称激光熔敷或激光包覆，它通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密 度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝，在基材表面形成与其为冶金结合的添加熔覆层 的方法，从而显著改善基体表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化以及电气特性等功能。利用这一新技术可在廉价材料表面制备具有特种性能的合金层或对零部件表面进行局部修复， 而且近年来以激光熔覆为基础又发展出激光立体成形技术，该技术可以实现高性能多材料６浙江工业大学硕士学位论文任意复合梯度材料零件的近终成形，因而激光技术具有广阔的应用前景。对温度场的模拟是研究激光熔覆过程中熔池传质，传热的基础，属于典型的非线性瞬 态热传导问题。对它的数值模拟主要需考虑两个方面的问题：一是激光加热热源的特殊性：二是被加热工件材料的特殊性。现今在激光熔覆温度场数值模拟研究方面已取得了一定的进展。 由温度场所得到的节点温度作为体载荷施加作用在结构分析中，即热和应力两个物理 场之间的相互作用，可以得到应力场的分布，属于耦合场分析问题。 本课题研究的主要内容有 １利用７．０ ｋＷ Ｃ０２激光器，输出功率为２．０＂－３．０ ｋＷ，扫描速度为１．５＂－一２．０ ｍ／ｍｉｎ， 在Ｐ２０表面制备了纳米复合化学镀Ａ１２０３熔覆层，利用现代物理测试手段，研究了不同的 激光工艺参数对纳米复合化学镀层的组织和性能的影响。结果表明：在本次实验中，适当 的增加激光功率和扫描速度，有利于组织强化，提高覆层性能。 ２对激光熔覆过程中的温度场进行基于ＡＮＳＹＳ软件的有限元模拟，并用红外线测温 仪器测得某一点在实验过程中温度的变化，验证ＡＮＳＹＳ模拟所得到的温度场数据的可靠 性及准确性； ３基于ＡＮＳＹＳ对冷却后的温度场进行残余应力场模拟，并用Ｘ射线应力测定仪对激 光熔覆后的试样进行垂直激光扫描方向和沿激光扫描方向两个方向的残余应力的测试，并 与模拟得到的结果进行比较，得出有限元模型建立的可靠性； ４对金属带截面轮廓的形成进行了讨论，提出了准稳态系统，并用不同的计算方法得 到激光功率的最大及最小的临界值；利用ＡＮＳＹＳ模拟并讨论了激光功率对温度场的影响；并用实验验证了，合理选择激光束的作用位置可以有效的解决边缘塌陷的问题，且对熔池大小、形状、最高温度的影响不容忽视。浙江工业大学硕士学位论文第二章激光熔覆技术许多重要的表面性能如硬度、耐磨性、耐腐蚀性、耐冲蚀性、抗氧化、耐热性等都取 决于金属材料表面的物理、化学性质。为了防止在高速、高温、高压、重载、腐蚀介质等 环境下工作的零件因表面局部损坏而报废，提高零件的可靠性，延长使用寿命，世界各国 都在研究和应用各种提高零件表面性能的表面工程技术。传统表面改性技术，如各种喷涂 层、镀层等，由于较差的层间结合力以及受平衡溶解度小，及固态扩散性差的限制，应用效果并不理想。大功率激光器和宽带扫描装置的出现，为材料表面改性提供了一种新的有效手段。在各类激光束处理中，激光熔覆是经济效益较高的一种新的涂层表面改性技术，它可以在低性能廉价基材上制备出高性能贵重的熔覆层表面，以降低材料成本，节约贵重稀有的金属材料，降低能量消耗，提高金属零件的使用寿命。２．１激光熔覆的特点激光熔覆原名Ｌａｓｅｒ ｃｌａｄｄｉｎｇ，又称Ｌａｓｅｒｈａｒｄｆａｃｉｎｇ或激光涂覆，从１９８４年开始统称为激光熔覆。该技术既改变了材料表层组织的物理状态，同时也改变了表面的化学成分。熔覆层的性能除与涂层材料原始成分、基体材料种类有关，还受到激光加工工艺参数的影 响［３７】。 与热喷涂、等离子喷涂、气相沉积、电镀、化学镀、堆焊等传统的表面改性技术相比， 激光熔覆技术具有如下的特点： ｌ适用的材料体系广泛，可以在低熔点金属表面熔覆高熔点合金，也可以对许多陶瓷材料进行激光熔覆，得到完全致密的冶金结合涂层；２可以依据使用性能要求，通过混合不同合金粉末进行涂层材料成分设计，选配不同 熔覆材料体系，获得理想涂层； ３涂层稀释度低，受污染小，且可精确控制，从而保证了涂层可以得到预期的表面性 能； ４由于激光是受激辐射引起的并通过谐振“放大＂了的光，具有高单色性、高方向性、 高相干性和高亮度的电磁波，故能量密度高，且激光熔覆的快速加热及高达１０５～１０６Ｋｍ／Ｓ的冷却速度，使得熔池熔体凝固速度快，涂层组织得到改善，甚至产生新性能的组织结构，８浙江工业大学硕士学位论文如亚稳相、超弥散相、非晶相等［３研； ５对基体材料热影响小，基体热变形小，因此可以对成形工件进行表面局部选区激光 熔覆处理； ６涂层厚度可调范围大，易于控制，且工艺灵活，易于实现自动化； ７可以对失效工件进行修复处理。 与激光相变硬化和激光表面重熔技术相比，激光熔覆技术可以得到性能要求更灵活、 更优越的覆层，因此其应用也更广泛。由于激光束的高能密度所产生的近似绝热的快速加 热过程，所以激光熔覆对基材的热影响较小，引起的变形也小。控制激光的输入能量，还 可将基材的稀释作用限制在极低的程度，从而保持原始材料的优异性能。激光熔覆可将高 熔点的材料熔覆在低熔点的基材表面，且材料的成分亦不受通常的热力学条件的限制，因 此所采用的熔覆材料的范围是相当广泛的，包括镍基、钴和铁基合金，碳化物复合合金材料以及陶瓷材料等。另外，实验研究表明，激光熔覆生成的熔覆层具有平整的外观形貌、致密的微观结构、与基材良好的结合性、均匀的化学组成。这些特点都可以极大地提高激 光熔覆处理后材料表面的耐腐蚀、耐磨损等性能。２．２激光熔覆工艺激光熔覆工艺包括三部分内容：熔覆材料的选取、材料的添加方法和激光工艺参数的设计。’２．２．１熔覆材料的选取目前用于激光熔覆的常用的涂层材料主要有自熔性合金粉和复合粉末两类：表２－１熔覆材料的分类Ｎｉ基自熔合金粉 Ｃｏ基合金粉 自熔性合金粉 Ｆｅ基自熔合金粉 ＷＣ型自熔合金粉 自黏性复合粉末 复合粉末 碳化物复合粉末自熔性合金粉：是指在熔点低、自身能起熔剂作用的合金中加入了具有强烈的脱氧作‘９浙江工业大学硕士学位论文用和自熔剂作用的Ｓｉ、Ｂ等元素的熔覆用合金材料，应用广泛。目前国内外生产的自熔合 金粉可分为镍（Ｎｉ）基，钴（Ｃｏ）基和铁（Ｆｅ）基三大类，还有ＷＣ型自熔合金粉，是在 上述三大类合金中加入一定量的ＷＣ制成的。 复合粉末：在滑动、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下，单纯的Ｎｉ基、Ｃｏ基、Ｆｅ 基自熔性合金己不能胜任使用要求，此时可在上述的自熔性合金粉末中加入各种高熔点的 碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷颗粒，制成厂金属复合涂层，具有很高的硬度和良 好的耐磨性。 激光熔覆材料要根据使用要求与基体的情况来选配。对于一定的工作环境，对于某一 基体而言，存在着最佳涂层合金。目前，对于涂层材料及基体材料的物理性质无法知道， 因此如何去度量涂层材料与基体是否具有良好的匹配关系，成为激光熔覆技术研究的一个 重点。另外在设计时，不能一味的追求涂层材料的使用性能，还有考虑涂层材料是否具有良好的涂覆工艺性，尤其是与基体在线膨胀系数、熔点等物理性质上是否具有良好的匹配关系。 （１）激光熔覆材料与基体线膨胀系数的匹配 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体之间的线膨胀系数的 差异。传统的观点认为，为防止覆层开裂和剥落，覆层和基体的线膨胀系数应满足同一性， 两者尽可能的接近，考虑到激光熔覆的工艺特点，基体和覆层的加热和冷却过程不同步， 熔覆层的线膨胀系数在一定范围内越小，对开裂越不敏感。 （２）激光熔覆材料与基体熔点的匹配 熔覆合金与基体材料的熔点差异大，形成不了良好的冶金结合。若是熔覆材料熔点过 高，加热时熔化的少，会使覆层表面粗糙且基体表面过烧，严重污染覆层：反之，熔覆材 料熔点过低，则使熔覆层过烧，且与基体之间产生孔洞和夹杂。因而，力求采用相对与基 体材料具有适宜熔点的覆层材料。 （３）激光熔覆材料对基体的润湿性 除了考虑熔覆材料的热物理性能外，还应考虑其在激光快速加热下的流动性、化学稳 定性，硬化相质点与粘结相金属的润湿性以及高温快冷时的相变特性等。特别是要获得满 意的金属陶瓷覆层，必须保证金属相和陶瓷相具有良好的润湿性。２．２．２材料的添加方式激光熔覆工艺方法有两种类型：一步法和二步法。１０浙江工业大学硕士学位论文（ａ）同步法激光熔覆示意图图２．１工艺方法（ｂ）预置法激光熔覆示意图表２－２工艺方法的分类‘３９１ 类型 方法 优点 工艺参数可控、激光 一步法 （即同步法：激光束辐 照工件的同时向激光 作用区送熔覆材料的 工艺。） 同步送丝法 同步送粉法 能量吸收率高、稀释 率可控；过程易控制。 便利且材料利用率 高：通过对丝材进行 预热可提高熔覆速 率。 通常应用手工涂敷， 二步法 （即预置法：先将熔覆 材料置于工作表面， 然后采用激光将其熔 化冷凝。１ 预置片 粉末利用率高，且质 量稳定，能获得高质 量涂层， 预置涂覆层 最为经济、方便。 丝材表面光滑，反射 较强，利用率较低且 丝材制造过程复杂品 种规格少， 生产率低，熔覆厚度 不一致，不宜用于批 量生产。 适宜于一些深孔零 件，如小口径阀体。 缺点 粉末比重或粒度大小 影响熔覆层质量。２．２．３影响激光熔覆层质量的因素现有的研究成果表明，决定激光熔覆层宏观与微观质量的因素很多，概括起来主要有浙江工业大学硕士学位论文四个方面（见图２－２）即：材料特性、激光参数、加工工艺及环境条件。针对影响激光熔覆层质量的各种因素，一方面，可以通过合理的选择粉末材料和基体 材料，使二者匹配良好，从而获得良好的熔覆层：另一方面，在粉末和基体材料一定的情 况下，还可以通过优化工艺参数，获得熔覆层与基体之间界面稀释率较小、无气孔和裂纹 的熔覆层。ｒ激光功率ｌ 光束模式 ／，激光参数＜光斑直径 ｆ ｌ 光波波长 ＼扫描速度 ｌ ｌ ｌ基材导热性、熔点 ｌ Ｊ 熔覆材料对基体的浸润性 Ｉ 材料特性１ 熔覆材料／基体固溶度 Ｊ Ｉ 熔覆材料对光束吸收率 影响熔覆层质量的激光参数√（厚度、稀释率、成分、 结合状况、组织特征）＼ ＩｌＩ 加工工艺≮ Ｌ，，同步送粉（送粉速率、扫描速度） 预置涂层（涂层厚度、扫描速度） 多道搭接时的搭接率 保护气体ｌＩ ｌ 环境条件≮Ｉ＼Ｌ预热、缓冷气体图２．２影响熔覆层质量的因素目前主要采用稀释率及比能等综合表述激光工艺参数（主要是激光功率和扫描速度） 对熔覆层质量的影响规律。ｌ稀释犁删：指激光熔覆过程中，由于熔化的基体混入而引起熔覆合金成分变化的程度，用基材合金在熔覆层中所占的百分比率表示。由于激光能量分布的不均匀性，激光熔 覆熔池中必然存在着对流，在对流的作用下，熔化的基体必然会造成熔覆合金的稀释。在 激光熔覆过程中，控制熔覆层稀释率的大小是获得优质熔覆层的先决条件。主要取决于熔 覆材料和基体材料的物理特性（熔融合金的润湿性、自熔性、颗粒的几何形状和大小等）及 它们之间的化学匹配特性，还有激光输出功率、光斑形状和尺寸、送粉速率和扫描速度等。目前计算稀释的方法有：①按熔覆层的成分实测值计算；②熔覆道横截面的面积测量 值计算（几何稀释率）：③熔覆层厚度和基体熔化深度测量值计算（厚度法）。前一种方法测量结果比较准确，但比较复杂，需要专门的设备，不利于实施现场控制。后两种方法比较直１２‘浙江工业大学硕士学位论文观，测量结果是一致的，但没有将熔覆材料和基体材料本身物理参数的差异以及与工艺参 数之间的关系直接的反映出来。 此外，对于每一道熔覆层而言，由于激光的热影响作用，存在着沿扫描方向熔覆层宽 度增加、基体熔化深度变大等现象，仅靠熔覆层某一截面的信息，已不能满足实施工艺过 程的现场控制，需要探讨如何在动态下描述稀释率随工艺参数的变化规律。因此，在分析 激光熔覆冶金过程的基础上提出稀释率为基体熔化量与熔覆层、基体熔化量之和的比：厶２万ｉ（２－１）其中，Ｍ，为基体熔化的质量，Ｍ为熔覆层的质量，厶为稀释率。注：不同的计算方法对应着不同概念的稀释率。 ２比能量…】：它的引入将激光功率、扫描速度和光斑尺寸对熔覆层稀释率的影响综合起来考虑。比能量可用下式表示：膨．啪昏丽矗警‰Ｅ，＝二一ａｆｐ２，研究表明，比能量减小有利于降低稀释率。因此在激光功率和扫描速度一定的条件下， 熔覆层稀释率随光斑宽度增大而减小；当扫描速度和光斑宽度一定时，熔覆层稀释率随激 光束功率增大而增大。只有把熔覆比能量控制在一定范围内，才能获得质量优良的涂层。 激光热有效利用率和粉末有效利用系数金相检测技术的问世，为采用单位质量熔覆材料的比能和单位时间实际输入比能来综合考察工艺参数对熔覆层质量的影响奠定了基础。单位质量熔覆材料的比能是指激光功率与有效送粉速率之比，即： （２－３）式中，Ｅ，一单位质量熔覆材料的比能；Ｐ一激光输出功率；１，，一绝对送粉率；Ｆ一粉末有效利用系数。单位时间实际输入比能是指有用激光能量与扫描速度和光斑长度积之比，即：耻篆（２－４）式中，邑一单位时间实际输入比能；ｒ／一激光热有效利用率； Ｄ一光斑长度；１，一扫描速度。浙江工业大学硬士学位论文由式２－２，可知稀释率、激光作用比能、激光功率和扫描速度相互联系、相互影响 且前两者对覆层质量的影响可以通过后两者的变化来体现。２．３实验准备２．３】激光和数控机床系统 激光系统采用的是７．０ｋＷ横流Ｃ０２激光嚣，位置伺服控制系统采用西门子６轴４联 动多功能数控机床及工作台（圈２－３）。激光嚣和数控机床的性能指标分别如表２－３和２－４ 所示。嬲察螽图２＊３西门于６轴４联动多功能数控机床表２４激光系统性能指标波长１０６ｕｍ功率范围模式 功率稳定性多模光束直径 工作方式连续袁２４数控机床系统性毙指标输出功率为２．Ｏ～３．０ ｋＷ，扫描速度为１．５～２．０ ｍ／ｍｉｔｔ，在Ｐ２０表面制备了纳米复合浙江工业大学硕士学位论文化学镀Ａ１２０，熔覆层，利用现代物理澳４试手段，研究了不同的激光功率、扫描速度对纳米 复合化学镀层的组织和性能的影响。试样参数见表２－５，再经过取样―镶嵌一磨制一抛光一腐蚀，得到金相试样。采用扫描电子显微镜（ｓＥＭ）、金相显微镜观察了其镀层和熔覆层表面形貌、覆层截 面形貌。表２－５激光培覆工艺参数２．３２实验结果分析愁誓（ｃ）熔覆层Ａｌ元素面分布（ｄ）熔覆层能谱图２４表面形貌及熔覆层能谱分析１表面形貌分析浙江工业大学硕士学位论文如ｍ２－４（ａ）表面的ＳＥＭ照片所示，在激光熔覆未处理时，复合镀层中存在着因许多纳 米Ａ１２０３聚集而形成的颗粒比较大的包状单元，激光处理之后，如图（ｂ），颗粒变小，形成 表面平整，颗粒比较均匀的熔覆层。且由图（ｃ）的Ａｌ元素表面分布的情况，也进一步说明 了熔覆层Ａｌ元素颗粒分布的均匀性。图（ｄ）为熔覆层的能谱图。由此，可以看出激光快速加 热、快速冷却的特点，能够有效地控制纳米颗粒的生长，且使覆层组织的致密化程度提高。 ２激光功率（ｎ 在擞光光斑直径和扫描速度一定时，激光功率的大ｄ，目ｌＪ激光功率密度的大小决定了熔 覆层和基材的加热温度。 激光熔覆试样存在四个不同的组织区域，由左到右依次分为熔覆层、过渡区、热影响 区和基体。图２－５（ａ）’（ｂ）相比较可看出，在外界环境不变的情况下，随着激光功率的提 高，熔覆层吸收的热量增加，熔覆层的深度就会增加，此时生成的显微组织比较粗大，晶 间距离较大；相反，在激光功率较低时，显微组织较细小，晶问距离减小，组织较为紧密。 这是因为材料吸收激光能量的不同，使组织发生了不同的变化。ａ）Ｐ＝２ｋＷ翟圈ｒ＝１．５ｍ／ｍｉｎ∞Ｐ＝３ｋＷｐ１５ｍ／ｒａｉｎ圈２｛不同Ｐ下的截面金相照片（Ｘ４００）如图２－６所示，（ｂ）图中纳米粒子体积增大，发生了团聚。表明当温度升高到一定程 度上时，纳米ｈａ２０３粉体会发生团聚，而这将会影响熔覆层的质量。因此如何兼顾激光输 出功率Ｐ、扫描速度Ｖ需要进行大量实验优化，这也是今后需要研究的重要内容。浙江工业大学硕士学位论文（ａ）Ｐ＝２ｋＷ嘞Ｐ＝３ｋＷ图２－６肛＝１．５ｍ／ｍｍ时的表面照片（Ｘ２０００）由此，我们可知，随着激光功率的增加，单位质量熔覆材料的比能增大，覆层颗粒的 平均温度升高，基体熔化程度高，稀释率大，造成熔覆层的深度越深，生成的组织比较粗 大，晶间距较大；反之，熔覆材料的眈能小，颗粒平均温度低，稀释率小。当单位质量的 比能减小到一定程度时，激光能量全部用于加热覆层材料，基体几乎不熔化，不能使基体 与覆层形成良好的冶金结合。 ３扫描速度（ｎ 激光扫描速度过大时，单位时问、单位面积上吸收的能量较少，不足以使熔覆层熔化， 或熔覆层虽然发生了熔化，但不能达到熔覆层和基体冶金结合；当扫描速度过小时， 激光与材料的作用时间增长，组织颗粒会比适中扫描速度下的组织颗粒有所增大，且覆层吸 收的能量增大，不仅使覆层熔化，基体也将熔化，致使稀释率急剧增大，覆层性能发生改 变。因此合理选择扫描速度对熔覆层质量有着重大影响。豳ｉ巾）Ｐ＝３ ｋＷＶ＝２ｍ／ｍｉｎ图２－７不同ｒ下的截面金相照片（ｘ４００）浙江工业大学硕士学位论文如图２．７（ａ）、（ｂ）相比可以看出，当扫描速度较慢时，激光束停留时间长，吸热较多， 熔覆层的深度有所加深，晶核有充足的时间长大，显微组织呈粗大状；而当扫描速度较快时，熔覆层的冷却速度也较快，大量的晶核来不及进一步长大就凝结成固态，所以其枝晶组织较细。 由此，我们可知，随扫描速度的增加，熔覆层组织趋向致密，晶粒更加细小，晶间距 减小，热影响区的深度较浅。但当扫描速度过高时，作用时间减小，熔池中熔体吸收能量 相对减小，熔覆层稀释率小。其结果也会导致组织晶粒尺寸增大。 在实际生产中，在保证熔覆层与基体实现冶金结合的条件下，应尽量采用较低的稀释 率，以保证充分发挥熔覆材料的优异性能；但如果稀释率过小，则结合力不足，熔覆层易 于剥落，增大开裂倾向。在工艺实施过程中，应针对不同的熔覆体系，性能要求，选择适 宜的稀释率，综合考虑激光工艺参数之间的相互匹配。２．４本章小结１与传统的表面改性技术相比，激光熔覆技术具有涂层稀释度低，受污染小，且可精 确控制，涂层厚度可调范围大，易于控制，且工艺灵活，易于实现自动化等等特点，因此 其应用也更广泛。 ２激光熔覆工艺包括三部分内容：熔覆材料的选取、材料的添加方法和激光工艺参数 的设计。决定激光熔覆层宏观与微观质量的因素很多，概括起来主要有四个方面即材料特 性、激光参数、加工工艺及环境条件。 ３利用７．０ ｋＷ Ｃ０２激光器，输出功率为２．０＂－＇－＇３．０ ｋＷ，扫描速度为１．５，－．－，２．０ ｍ／ｍｉｎ，在Ｐ２０表面制备了纳米复合化学镀灿２０３熔覆层，利用现代物理测试手段，研究了不同的激光工艺参数对纳米复合化学镀层的组织和性能的影响。结果表明：在本次实验中，适当 的增加激光功率和扫描速度，有利于组织强化，细化晶粒。浙江工业大学硕士学位论文第三章熔池的准稳态系统激光熔覆技术是把激光加工与数控技术相结合，通过在金属基体表面预置粉末或同步 送粉的方法，利用激光的高能量把金属粉末熔化，与基体形成良好的冶金结合，从而达到 改善产品性能的特种加工方法。本章节将对激光熔覆熔池的形成及影响因素进行讨论。３．１３．１．１准稳态系统的提出金属带横截面的形成 在激光熔覆过程中，用激光束扫描、加热工件，熔化金属粉末，形成熔池，随着激光束移动，熔池移动，熔池原有金属液凝固，得到具有一定轮廓的金属带（即熔覆带），多条 熔覆带搭接形成一个熔覆层。熔覆带的横截面轮廓不同，相邻熔覆带搭接后的表面形貌不同（表面质量不同），熔覆层高度不同。有学者对熔覆带的横截面轮廓进行了研究，Ｓｔｅｎｎｔ４２】等提出熔覆带宽度（形）与扫描速度（功和激光光斑直径（ｄ）之间的关系是：Ｗ＝ｄ（１一口ｙ）式中ａ是经验常数。Ｈｕ等【４３】指出，在其他参数不变和能量足够时，粉末流速增加导致熔覆带宽度增加；熔覆带高度随粉末流速或能量密度（ｍ。）的增加，或扫描速度的减小而增加。确定熔覆带高度的经验关系式为：吃＝ｄｍ。／Ｖ。张庆茂等ｍ１发现，随激光功率密度和作 用时间增加，熔覆层横截面积呈线性增加，熔覆层宽度增加，接触角增大，且这种现象随 送粉速率的增加更加显著。３．１．２熔覆带横截面轮廓的形成机理 在激光熔覆过程中，激光加热工件表面，导致表面薄层金属熔化，表层熔化金属与被送入的粉末一起形成金属熔池。图３．１为熔池纵截面及俯视示意图。随着激光不断扫描运 动，看起来熔池不断向前移动，实际上是激光离开已扫描区域后液态金属冷却凝固形成熔 覆带，在正被激光扫描的区域内的固态金属熔化变成熔池。也就是说，在激光熔覆稳定进 行的过程中，熔池前沿（即图３．１中曲线ＢＣ段所在的曲面部分）不断熔化前方的固态金属， 熔化界面不断向前推进，而后沿（即图中曲线ＡＢ段所在的曲面部分）附近的液态金属不断１９浙江工业大学硕士学位论文结晶凝固、形成熔覆带，凝固界面也不断向前推进。如果把熔池作为一个系统来看，这个 系统在激光熔覆过程中，伴随着加热和冷却、熔化和凝固等物理过程，维持了物质和能量 的动态平衡：能量不断被激光输人进来，也不断被传导、对流和辐射出去，输人和输出的 能量平衡；固态金属不断熔化进人熔池，也不断凝固离开熔池，熔化和凝固的金属量也相 等，这样才能使熔池形状尺寸不发生变化，保持过程稳定，所以熔池可以看作一个准稳态 系统。舀３－１熔覆带横截面轮廓的形成机理３２准稳态系统的研究为了能更好的了解激光熔覆的过程，利用准稳态系统，对工艺参数（主要是激光扫描速度ｎ激光功率Ｐ和粉末进给速度妒），在覆层材料达§ｑ熔化温度巧时，能否形成一个稳态的熔池（即准稳态系统）进行研究．讨论参数间的相互联系。 本次研究，将主要针对基体与熔覆材料相同（同一材料体系），其他激光工艺参数相同 的情况下，讨论理想状态下的激光功率的临界值及激光束作用位置对熔池的影响。３．２ｌ激光功率最小值的研究 单道熔覆层及基层的纵向剖视图如图３－２所示．为了保证覆层与基体的冶金结合，覆层的熔温线必须进入基层。除此之外，在理想状态下，覆层材料应全部熔化，且产生的熔浙江工业大学硕士学位论文池应贯穿整个覆层的高度。图３－２单道熔覆的纵向剖视图图３．３热量不足所导致的小熔池如图３．３存在着不合理的现象：覆层吸收的能量不足，只能使得覆层材料熔化。其中，巧指覆层熔化时的温度，Ｅ指的是基体熔化时的温度。为了避免这类情况，应该注意到： 在激光扫描速度阢激光功率Ｐ和粉末进给速度妒和熔化温度巧的共同作用下，必须使熔池的深度ｈ等于或者大于理想的覆层高度ｈ，（如图３．２）。 问题的产生主要涉及到该系统是否有足够的热量。选择传热学计算法，（如Ｒｏｓｅｎｔｈａｌ 计算方法适用于可移动的点热源【４５１或Ａｓｈｂｙ．Ｅａｓｔｅｒｌｉｎｇｆ４６Ｊ法适用于线热源），利用质量与 能量的守恒定理来计算激光功率的临界值。下面用两种方法计算激光功率的最小值：浙江工业大学硕士学位论文方法Ｉ： 设覆层高度ｈ。为Ｖ，ｐ和覆层密度Ｐ。的函数，熔覆层为半圆柱形，时间间隔为Ａｔ，假设在＆时间内，激光能量ＰＡｔ全部转变为热能。 如图３―４，根据粉末的质量守恒（假设粉末完全转化为熔覆层），可以得到：罢玩２ｐ＜ＶＡｔ＝础（３－１）绣＝（３―２）图３－４圆柱形的覆层截面设把长为ＶＡｔ的金属带从室温瓦加热到乙。，根据能量守恒，可以得到：．ｘ．ｈ。２ｐｃＶＡｔ［Ｌ＋ｉ（巧一兀）］＜尸△ｆ（３－３）或者利用△Ｌ＝巧－ｔｏ，得到：尸＞（三＋Ｃｒ，△乙）矿 式中，三为熔化中的潜热，Ｃ。为这一温度范围的平均比热。 方法ＩＩ： 假设在稳态的时候，热能以热传导的形式传递到基体，例如，利用Ｒｏｓｅｎｔｈａｌ［５５］法， 建立半无限大的几何模型： （３－４）肌去ｅＸｐ（一警）厂＝廊（３－５）令Ｘ＝ｚ＝０，当Ｙ＝，．＝ｈｃ时，我们可以核对温度的升高值△丁，而ｈｃ通过式３－２来得到。浙江工业大学硕士学位论文这时，我们可以得到（如图３－５）：丽＝．麟ｐ（一荔）抛？ｍ 去唧卜杀ｐ△乙即：（３―６）蹦礅球ｘ咯）（３―７）图３－５点热源的温度场通过上述的讨论，我们可以获得三个重要过程参数激光扫描速度ｙ，激光功率Ｐ和覆层高度厅。的一个重要关系式，其中ｈｃ由粉末迸给速度矽所决定，且可以计算得到激光功率尸的最小值。３．２．２激光功率最大值的研究 对于“临界值’’（或者“理想化”）问题，Ｈｏａｄｌｅｙ ａｎｄ Ｒａｐｐａｚ［４７１曾对此提出，通过调节激光功率和激光束的起始位置，使得覆层的轮廓线与其熔温线正好相交于覆层和基体的交界线，如图３－６，就可以得到最小的激光功率。浙江工业大学硕士学位论文图３．６最小激光功率的示意图为了求得理想的激光功率，首先要计算稀释率厶，利用／≥的定义，设热影响区的高度为啊，覆层高度为办。，如图３?７所示，可以得到：’厶＝去（３―８）图３．７稀释率的示意图对于已给定的厶（或者已知最大的办，），可以解得最大的激光功率值，如图３?８。２４浙江工业大学硕士学位论文图３．８最大激光功率的示意图利用公式３－２，且五≤曩＋吃，变形得到： Ｐ＜（￡＋ｃ。△乙）（１＋／０）２驴 或者利用Ｒｏｓｅｎｔｈａｌ［５５１公式，得到：（３―９）Ｐ＜２：ｒ＆ｈｃ（１＋舭驷ｐ（鼍≯）因此，根据给定的Ｖ、伊及最大的稀释率厶（最大可达１０％），的激光功率的最大值。（３－１０） 可以计算得到理想３．２．３激光束起始作用位置对熔池的影响由上述对熔池能量的讨论中，注意到，激光束起始位置应使其产生的熔池相对于覆层 的边缘，往前或往后的偏移量不能太大。 观察图３－９（ａ），当激光束开始作用位置置于覆层其他较远处，产生覆层单一的熔池， 且由于能量不足也不能完全的熔化；如图３－９（ｂ），当激光束置于覆层边缘前时，造成基体 局部产生较大的熔池，稀释率大，严重影响覆层的质量。故在相同的其他激光工艺参数的情况下，激光束的位置不同，造成熔池大小、形状的不同，故正确确定热源的位置对熔覆质量的影响不容忽视。浙江工业大学硕士学位论文的激光束置于覆层边缘之后彻激光柬置于覆层边缘之前图３－９不舍理的激光束位置边缘塌陷问题，如图３－１０所示；――－戮图３．１０边缘塌陷因此，解决好边缘塌陷问题，对于完善激光熔覆工艺以及提高其在实际中的应用，有 着重大意义。目前，很少有人对激光熔覆中的塌陷问题进行过研究，也没有一种能够简便 地解决这个问题的通用方法。笔者将针对其特殊性，将在第五章中探索一种能在激光熔覆 过程中，在不改变激光工艺参数的条件下，利用不同的激光束作用位置，来进行研究解决， 井用实验进行验证。３．２．４准稳态系统的重要性 以上分析以纵截面为研究对象，但是研究结果也能运用到整个覆层，如图３．１０，熔浙江工业大学硕士学位论文池贯穿整个覆层带的高和宽。实际上，准稳态的熔池必须贯穿整个覆层的深度如图所示， 以保证物质及能量的守恒，即所有的覆层材料都熔化。（ａ）１／２金属带的示意图 图３．１１（ｂ）１／２金属带的上半示意图金属带的示意图其中，粉末吸收率（即粉末材料转变为覆层材料的百分ＬＬ），是ＬＣ中能否建立准稳态 系统的核心问题。粉末颗粒冲击或进入现有的熔池，凝固并包含于金属带中，而其余冲击 这个系统其他固体部分的粉末将会浪费（尽管在理想化中，它们是可以被重新利用的，例 如通过气流装置收集或移回粉末输送系统中）。 粉末的吸收率，在实验过程的开始阶段就必须考虑到。在激光束的移动过程中，熔池 首先是在基体中产生，以致去吸收获取粉末，并反过来使粉末熔化并凝固，以致金属带逐 渐升高，达到稳定的高度，即等于高度ｈ，，如图３．１２，即３．１所讨论的金属带横截面轮 廓的形成。应该注意的是，在实际熔覆过程中，基体熔化的深度（即稀释率），应高于理想状态的 值，这是因为在覆层材料为复合材料时，实际的激光功率要大于理想值，而熔覆层的稀释率随激光束的功率增大而增大。 准稳态系统的建立，为进一步研究粉末的吸收率和粉末的利用率（熔池尺寸和粉末传 输系统、还有保护气体的速度分布等作用）的大小提供了基础和根据。但是，只有能量和 物质守恒时，才能用准稳态系统来讨论研究熔覆过程。如果能量和物质不守恒，不匹配（例如，在熔覆中，粉末的添加相对太少）时，利用准稳态系统是行不通的。因为此时，熔覆带的形成是不均匀、无规律的，且覆层与基体冶金结合较差，更甚，将产生斜歪的覆层带 （类似与一连串不同尺寸的小球颗粒粘结在一起）。２７浙江工业大学硕士学位论文图３．１２瞬时阶段：稳态熔覆的轨迹示图３．３本章小结１在激光熔覆过程中，用激光束扫描、加热工件，熔化金属粉末，形成熔池，随着激 光束移动，熔池移动，熔池原有金属液凝固，得到具有一定轮廓的金属带（即熔覆带）。 ２将熔池看作一个准稳态系统，进行研究讨论参数间的相互联系。在熔覆层全熔情况 下，利用质量与能量的守恒定理，计算激光功率的最小及最大值的临界值。且准稳态系统的建立，为进一步研究粉末的吸收率和粉末的利用率（熔池尺寸和粉末传输系统、还有保护气体的速度分布等作用）的大小提供了基础和根据。 ３激光束起始位置对熔池大小、形状的影响不容忽视，当激光束起始作用正好位于覆 层起头处时，容易使基体金属过度熔化，造成边缘塌陷问题，针对其特殊性，笔者将在第五章中讨论一种解决该问题的简便方法。浙江工业大学硕士学位论文第四章激光熔覆温度场的模拟４．１数值模拟的介绍４．１．１激光熔覆数值模拟的意义和简单历程 激光熔覆的工艺特点是高功率激光束与金属交互作用产生熔池，而后快速自冷凝固形成合金熔覆层。工艺质量的好坏与熔池内冶金动力学过程密切相关。激光熔覆熔池内存在传热、传质、对流及气一液界面冶金反应和固一液界面扩散等现象，直接影响熔池形状气体及夹渣物的吸收、聚集和逸出，组织、成分变化及其他冶金物理性能。此外，由于 激光熔覆是局部快速加热至高温、动态熔化的过程，熔池尺寸很小，且温度极高（视具体材料及光源而定，一般多在１０００＊Ｃ以上），并伴随着急剧的冷却，而随着热源的移动，整 个熔覆件的温度随时间和空间急剧变化，材料的热物理性能也随着温度剧烈变化，同时还存在熔化和相变的潜热现象。故用试验方法来测量熔池内熔体的流动和温度、应力分布以及熔池表面粉末、熔池、光束的相互作用及表面形状的形成是非常困难，并且，缺少理论模型指导的大量试验在费 用上是相当昂贵的。另一方面，随着科学技术的进步和国民经济发展的需求，激光熔覆这 一高新技术逐渐得到广泛应用，对熔覆层质量要求也越来越高，迫切需要我们寻找一种可 靠、经济、科学的方法来提高激光熔覆层质量。计算机技术的飞速发展，使数值模拟技术在材料领域也得到了广泛的应用，为更好地 研究激光熔覆过程中所发生的一系列复杂物理冶金现象提供了有效手段。数值模拟可在一定的模型下提供完整的流场、热场及热物性参量场信息，并易于进行参数控制和多因素比较，辨析不同条件下各个工艺参数的影响及其综合作用效果，而且数学模型的研究和数值计算方法的发展可以极大的节约实验费用和缩短实验研究的周期，在实际应用中具有很重 要的意义。 在早期对激光熔覆进行实验研究的同时，人们已经开始进行广泛的理论研究和数值模拟。但由于这一过程的复杂性及不同发展时期计算机容量、速度和内存的限制，数值模拟经历了从低维（一维）到高维（三维）；从导热控制的温度场到对流控制的温度场；从不考虑 自然对流和表面张力等诸多因素的影响到模型建立时考虑这些因素的影响；从单纯计算激２９浙江工业大学硕士学位论文光熔覆到考虑粉末流动模型及其与激光束、基体的交互作用等，从简单到复杂，由表及里 的过程。由于数值模拟的特殊性，它同时还经历了计算方法的不断尝试与改变。４．１．２ＡＮＳＹＳ概述 常用于实现激光熔覆中热源模型和边界条件的有限元计算软件主要有ＡＮＳＹＳ，ＭＡＲＣ，ＮＡＳＴＲＡＮ等，在我国应用较多的是ＡＮＳＹＳ。与其他的有限元计算软件相比， ＡＮＳＹＳ具有以下技术特征：能实现多场及多耦合功能；集前后处理、分析求解及多场分 析于一体；独一无二的优化功能，唯一具有流场优化功能的ＣＦＤ软件；具有强大的非线性分析功能；具备快速求解器；最早采用并运行计算技术的ＦＥＡ软件；从微机、工作站、大型机直至巨型机所有硬件平台上全部数据文件兼容；支持从ＰＣ、ＷＳ到巨型机的所有硬件平台；从微机、工作站、大型机直至巨型机所有硬件平台上具有统一用户界面；可与大多数的ＣＡＤ软件集成并有接口；可进行智能网格划分；具有多层次多框架的产品系列； 具备良好的用户开发环境【４８１。其中，ＡＮＳＹＳ进行热分析的基本原理是能量守恒方程和热平衡方程，它能够在实体模型和单元上施加多种热载荷，并能够进行稳态和瞬态热分析，更加真实的模拟熔覆的物理过程，建立更加准确的热源模型。且能够实现计算过程中的移动热源和边界条件的参数化，对熔覆材料的逐步填充也可以用“虚实＂单元，“生死＂单元的方法加以处理。比如 在熔覆过程中，激光的能量有效利用率直接影响着热量的输入情况，而解析求解的过程中 通常将其设为常数无法体现利用率的变化情况。利用软件可将其设为温度、扫描速度的函 数更能够反映熔覆过程的实际情况。４．２激光熔覆温度场的数学模型在激光与材料相互作用过程中，一部分光能被表层材料吸收，而其余部分则被金属表 面反射。激光光子的能量向固体金属的传输过程是固体金属对激光光子吸收和被加热的过 程，因此，对激光加热温度场模拟的研究大多是以热传导微分方程为基本出发点进行的。 在被处理材料表面建立砂坐标，ｚ轴指向材料外部，若初始时Ｎ（ｔ＝Ｏ）材料的温度为 ｒｏ，当激光输出功率为尸，扫描速度为ｖ，沿Ｘ轴正向扫描时，其热传导方程【４９】为：印誓＝去（五鼍）＋专ｌ等］＋未（譬）＋Ｑ印ｉ ２面ｒ面Ｊ＋面Ｐ面Ｊ＋夏ｒｉｊ＋Ｑ（４－ｕ ＠Ⅲ浙江工业大学硕士学位论文式中：Ｃ为材料比热容；ｐ为材料密度；名为导热系数；Ｔ为温度场分布函数；Ｏ为内热源（包括激光施加的热量以及相变释放的热量）；ｔ为传热时间，这些参数中名，Ｐ，ｃ均随 温度变化。初始条件：当ｔ二０时刻，工件具有均匀的初始温度，一般为周围环境温度，ｒ＝Ｖｏ。边界条件： （１）边界上的热流密度分布旯娶刀，＋Ａ婺刀，＋名娶玎：：ｇ，（Ⅵ石ｆ）（４－２） 九面刀ｘ＋力面刀，＋刀ｉ玎ｚ ２９，【ｘ，少，ｚ，７Ｊ（２）边界上的物体与周围介质的热交换力要刀，＋旯孥，ｌ，＋五娶以：＝∥（疋一Ｌ）（４－３） 力瓦刀ｘ＋九面玎，＋九西以ｚ＝卯：一引式中：ｇ，为单位面积上的外部输入热源；∥为表面换热系数；疋为周围介质温度；Ｃ为导体表面上的温度；／＇／，，疗，，，ｚ：为边界外法线的方向余弦。４．３激光熔覆温度场的有限元模型有限元模型是真实系统理想化的数学抽象。建立有限元模型，包括确定单元类型、材料特性、几何模型以及网格划分都是温度场模拟的关键环节。 在建立模型之前，必须制定好分析方案： １．分析类型 激光熔覆过程是个局部快速加热到高温，并随后冷却的过程。随着热源的移动，工件的温度随时间和空间急剧变化，材料的热物理性能也随温度剧烈变化，用时还存在熔化和相变时的潜热效应。因此，激光熔覆温度场分析属于高度的非线性瞬态分析过程。 ２．分析目标模拟采用预置法，利用Ｃ０２激光器在热作塑料模具钢Ｐ２０表面熔覆Ｈ１３粉过程中的 温度场，激光工艺参数如表４．１所示：浙江工业大学硕士学位论文表４－１激光工艺参数 工艺参数 激光扫描速率Ｖ（ｍ／ｍｉｎ） 激光功率尸（ｋＷ） 光斑大小Ｄ（ｍｍ） 值０．３ １．５ ４３．分析假设 激光熔覆是一个复杂的工艺过程，工艺参数较多。激光熔覆过程中产生热传导、热辐射、金属的熔化和凝固、熔覆应力和变形等现象。在解决实际问题中，由于边界条件的差异、计算方法的限制、动态过程的复杂性等原因，在建立激光熔覆有限元分析模型时都要 作一定的简化。本文在建立模型时作如下简化：（１）整个研究对象的表面看成平面；（２）经典的传热理论适用于激光与材料的相互作用； （３）材料为各向同性，并忽略温度对材料密度的影响； （４）忽略气体物质对入射激光的输入影响； （５）由于激光加热时间极短，不考虑熔池内液体的流动对温度场的影响； （６）忽略材料塑性变形的生热，即采用热力弱耦合。 （７）假设室温温度为２０℃。４．３．１前处理１单元选择确定分析方案后，开始建模，首先必须定义单元类型。而网格划分的好坏将直接影 响有限元计算的结果。 有限元模型由一些简单形状的单元组成，单元之间通过节点连接，并承受一定载荷。 其中，单元是由一组节点自由度间相互作用的数值、矩阵描述（称为刚度或系数矩阵）。节 点是空间中的坐标位置，具有一定自由度和存在相互物理作用。信息是通过单元之间的公 共节点传递的。激光熔覆过程是个热力耦合的过程，在热弹塑性分析的过程中，既需要计算温度场， 又需要计算应力应变场，选择的单元必须满足下列条件：Ａ是自由度为温度的热单元，并且是能够进行瞬态分析的单元类型；Ｂ具有热传导、对流能力（有的单元仅有辐射、对３２浙江工业大学硕士学位论文流功能）；Ｃ必须能够进行热力耦合分析‘５０１（为下面的残余应力做准备）。 由以上几条原则，最终可把选用单元的范围缩小为三维ＳＯＬＩＤ７０和ＳＯＬＩＤ９０单元。图４．１ＳＯＬＩＤ７０和ＳＯＬＩＤ４５单元节点分布图４－２ＳＯＬＩＤ９０和ＳＯＬＩＤ９５单元节点分布ＳＯＬＩＤ７０具有８个节点，每个节点有１个温度自由度。该单元可用于三维的稳态或 瞬态的热分析问题，并可以补偿由于恒定速度场质量输运带来的热流损失。当进行应力应 变场分析时，该单元被一个等效的结构单元ＳＯＬＩＤ４５单元所代替，但节点的分布并没有浙江工业大学硕士学位论文改变；ＳＯＬＩＤ９０则是一个有二十节点的三维热实体单元，是ＳＯＬＩＤ７０的高阶形式，尤 其适用于模拟曲边，当进行应力应变场分析时ｔ该单元被一个等效的结构单元ＳＯＬＩＤ９５ 单元所代替，节点的分布不改变。三维单元的节点分布如图４－１和图４０所示。２实体模型建立及阿格划分 鉴于实验目的是修复模具表面，考虑到工件的形状及预置粉末，根据工艺实验的参数 要求（表４－１），本章所建立的激光熔覆三维模型如图４－３所示：Ｂ为熔覆层为 ３０ｒｎｍｘ６ｍｍｘｌ．５ｍｍ的长方体。Ａ为基体，位于覆层旁边的大小为：３０ｍｍ）（４ｍｍｘｌ５ｒａｍ， 下面为３０ｍｍｘｌｏｍｍｘｌ５ｍｍ的长方体。三――――――１弱Ｆ＾Ｎ爹爹（ａ）几何模型图禾３模型 啦）有限元模型为了能使得温度场和应力场能顺利的耦合，在基体与覆层进行网格划分时，均采用 了映射网格划分，但网格的大小不一。网格划分细密时容易导致计算时间过长，而当网格 过太时，温度场的分布精度又不够。为了能节省计算时间和提高温度分布精度，将模型网 格划分为三层，如图４－３（ｂ）所示。上层属于单层粉末材料，温度梯度较大，所以，采用 较细密的映射网格划分，单元体积太小为０ ５ｒａｍ３，以获得一定的计算精度；将基体划分 了热影响区及非热影响区，在热影响区的网格大小介于覆层与底部直接大小，单元体积大 小为ｌｍｍ３，底部采用单元体积大小为２ｍｍ３。覆层采用了ＳＯＬＩＤ７０六面体单元，基体采 用了ＳＰＬＩＤ９０四面体热单元网格。经过这样的处理，大大的减少了模型单元数和节点数， 从而节省了计算时间，提高了计算效率，且对计算结果的精度影响不大。浙江工业大学硕士学位论文３定义材料属性 在数值模拟中，进行温度场分析时必须确定下列热物性参数：导热系数（Ｗ／ｍ．℃）、密 度（ｋｇ／ｍ３）、比热容（Ｊ／ｋｇ．℃）、焓（Ｊ／ｍ３）等。金属材料的物理性能参数如比热容（Ｃ）、热导率（彳）、弹性模量（Ｄ、屈服应力（吒）等一般都随温度的变化而变化。当温度变化范围不大时，可采用材料物理性能参数的平均值 进行计算。但熔覆过程中，工件局部加热到很高的温度，整个工件温度变化十分剧烈，如 果不考虑材料的物理性能参数随温度的变化，那么计算结果一定会有很大的偏差。所以在熔覆温度场的模拟计算中一定要给定材料的各项物理性能参数随温度的变化值。但是，许多材料的物理性能参数在高温特别是接近熔化状态时还是无法获取，某些材料仅有室温数据，而高温性能参数对熔覆过程的模拟结果和计算过程均有较大影响，这会给模拟计算带来很大的困难。当然，通过试验和线性插值的方法可获得高温时的一些数据，但有时处理 不当，就会导致计算结果不收敛或不准确。 １．Ｐ２０的热物理性能示于下图４４。对于覆层Ｈ１３，因为厚度比较薄，只有１．５ｍｍ，故在取参数时，取它的平均值，其密度为７８００ ｋｇ／ｍ３，热导率为３９。２Ｗ／（ｍ＇Ｃ）。 ２．材料相交潜热的计算与处理 热处理在加热或冷却过程中，当发生组织转变时会吸收（加热过程）或释放（冷却过程） 潜热（Ｌａｔｅｎｔ Ｈｅａｔ）。ＡＮＳＹＳ热分析最强大的功能之一就是分析相变问题。相变问题实际上 是一种非线性的瞬态分析问题。非线性与线性问题的唯一差别在于线性问题需要考虑相变过程中吸收或释放的潜热。ＡＮＳＹＳ通过定义材料随温度变化的焓（Ｅｎｔｈａｌｐｙ）【５１】来考虑潜热。焓值的变化△日可描述为密度、比热以及温度的函数，并存在如下的关系：，６Ｊ－１＝ｌｐｃ（ｒ）ａｒ（４－４）可见，脯是密度与比热乘积对温度的积分，其单位为Ｊ／ｍ３。鉴于计算上的方便，在考虑相变潜热时，设定Ｐ为一常数。本文取图４．４（ｂ）的平均 值Ｐ＝７７７０（ｋｇ／ｍ３）。图（ｃ）是Ｐ２０钢比热容随温度变化的曲线，对该曲线进行精确分段 曲线拟合。计算所得的Ｐ２０钢在不同温度下的焓值见图（ｄ）。浙江工业大学硕士学位论文１∞Ｏ１４００Ｌ１２００ｏ 口邕１０００ｊ∞ ∞工８００． Ⅲ．口笔童∞ｃ∞ｏ品６００４００ ｏ ２００ ４００ ６００ ８００ ｌＯＯＯ０２００４００８００８００１０００１２∞１４００１６００Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ／＂ＣＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＰＣ（ａ）比热（ｂ）密度ｓ｛ ｛；｝ 勰 孙一３ｌＩ．Ｅ一≥ 一＾Ｉｌｏ：芍ｃｏ 甜２ ｛寻Ｏ ２００ ４００ ６００ ８００ １０００一 一 一 一 一 一一。 ０ ２００４００６００８００１０００Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ／‘ＣＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ／＝Ｃ（ｃ）导热率 图４＿４ Ｐ２０的热物理参数（ｄ）焓４热源模型及加载激光作为热源，它的输入模型在数值模拟中是很重要的一个环节，根据激光的波粒二 相性及激光与材料相互作用的特性，激光输入模型可分为表面输入模型和体输入模型两 种，对于没有熔化产生时，一般采用表面输入模型，对于有熔化产生时，一般采用体输入 模型。在热源热输入的分析中，高斯分布热源模型和双椭圆功率密度模型应用最为广泛。 （１）高斯分布热源模型ｆ５ｌ】 激光加工时，电弧热源把热能传给工件是通过一定的作用面积进行的，这个面积称为 加热斑点。加热斑点上热量分布不均匀，中心多边缘少。将加热斑点上热流密度的分布近 似地用高斯数学模型来描述，如图４．５所示： 距加热中心任一点Ａ的热流密度可表示为如下函数形式：３６浙江工业大学硕士学位论文如ｈ拶ｐ（一等）Ｑ＝ｒ／ｕ／件５，ｇ。＝芸Ｑ（４－６） ｇｍ＝丽彰（４―７） 式中，ｑ。为加热斑点中心的最大热流密度，Ｊ／（ｍ２?ｓ）；Ｒ为电弧有效加热半径，ｍｉｌｌ；，． 为Ａ点离电弧加热斑点中心的距离，ｍｎ＇ｌ；Ｑ为热源在瞬时给－１－件的热能，Ｗ；ｒ／是熔覆 执葡室．Ｕ为由弧由乐．Ｖ：Ｉ为申．流．Ａ．图４－５高斯热源模型（２）双椭圆功率密度模型 在用椭球形热源分布函数计算时，人们发现在椭球前半部分温度梯度不像实际中那样陡变，而椭球的后半部分温度梯度分布较缓。为了克服这个缺点，提出了双椭球形热源模型，如图４－６所示。这种模型将前半部分作为一个１／４椭球，后半部分作为另一个１／４椭球。设前半部分椭球能量分数为／ｉ，后半部分椭球能量分数厶，且Ｚ＋＾＝２。浙江工业大学硕士学位论文图４．６双椭圆功率密度模型前半部分椭球内热源分布函数：如，＝絮唧［＿３［（洲州洲后半部分椭球内热源分布函数：件８，如，＝舞ｅｘｐｌ－３㈦２埘坩］】双椭球分成４个１／８的椭球瓣，每个可对应不同的口，ｂ，Ｃ值。 热源来模拟激光束的连续扫描。件９，式４．８和式４－９中的ａ，ｂ，ｃ可取不同的值，它们相互独立。在熔覆不同材质时，可将然而，激光熔覆过程中激光束扫描是连续的，光斑位置可表示为时间及坐标的连续函 数，这势必对求解过程产生不便。基于有限元的离散思想，通常采用小步间歇跳跃式移动通常解析方法较简单，意义明确，易算，但由于它的假设太多，难以提供熔池内的精确计算结果，而且考虑不到激光束对熔池的冲击作用。采用有限元或有限差分法，应用高斯分布的表面热流分布函数计算，可以引入材料性能的非线性，可进一步提高高温区的准 确性。虽然双椭球热源分布更准确，但计算量较大，使热源分布函数更利于应用有限元或 差分法在高速计算机上进行计算，而且实践也证明能得出较满意的模拟结果，对于通常的 激光加工方法采用高斯分布的函数就可以得到较满意的结果。 在本次模拟中，采用了高斯热源的近似处理，圆形的激光是近似为２ｍｍＸ２ｒａｍ的正 方形强积分区域；光强近似分为如图４．７实体填充图形所示：浙江工业大学硕士学位论文］ｉ．ｉ ｉ．ｉ，ｉ ｉ，ｉ：。ｉ．ｉ十Ｈ●忖＋斗Ｈ十Ｉｉ口ｉ瓣二ｉ；ｉ ｌ ｉ千碍斗＿Ｈ干―旰辩ｌ 十｝十Ｈ＋―广卜州Ｔｌ±盐蔓±挝世± 葺岛：扫土辐：尊丰｜ｉ二Ｉ＿｝图垂７热源移动模型图中，中心光强为单位１，其它角上４个单元为０．６１２８，边上８个单元为０７８２８； 光源每次向前移动一个单元格，如图４－７中从实线轮廓到虚线轮廓的移动，以步进法移动 激光来代替实际上连续移动的激光，原则上要求步长非常短，模拟采用的时间步长为０．５ ｓ。这样的步长仅为光斑直径的四分之一，以此来近似连续移动已经达到了足够的精度。５边界换热处理 被处理材料的边界由于与外界存在温度差而与周围介质换热，其中包括对流和辐射换 热。实验表明，在激光熔覆过程中能量的损失主要通过辐射而对流作用相对较小。温度越 高则辐射换热的作用越强烈。一般辐射与对流换热计算方式不同，本章为了计算方便采用 总的换热系数。这样因边界换热而损失的热能可表示为： ｑ。＝Ｃ（Ｔ－Ｌ） 其中，Ｌ周围介质温度，ｃ＝Ｃ＋ｃｒ，ｃｃ对流换熟系数ｒ Ｇ辐射换热系数。 从传热学理论中可知辐射换热热流密度为： （４―１０）ｑ，＝￡０－ｌ（Ｔ＋２７３）４一（‘＋２７３）‘ｌ所以得出：件１１）ｃ＝日ｒ［ｆｆ＋２７３）２＋亿＋２７３）２ｌ（ｒ＋２７３）＋也＋２７３目式中，￡为物体表面的辐射发射率，口为斯蒂芬嚷尔兹曼常数５．６７ｘ１０一Ｗ／（ｍ２曲。（４―１２）严格地说，对流换热系数还与零件位置有关，因为周围气体流动特性不一样。但是要 测出不同部位的对流换热系数是很困难的，本章中简化为常数。此外，与材料热物性与温浙江工业大学硕士学位论文度的关系类似，换热系数与温度的关系也采用分段线性的形式。６表面吸收系数的影响Ｊ．Ｐｏｗｅｌｌ［５２１认为手工预置涂层时粉末粒子间的空隙不利于传热，而把这种预置粉末层 假定为不导热的绝热层，表面受激光辐照后由表面向下熔化，直到与基体材料接触时方开始有传热过程，熔池前沿因热量被传出而重新凝固，在ＡＮＳＹＳ程序中，对密度和导热系数乘上相应的比例因子来调节。利用混合定律得到的密度、导热系数等，再采用麦式方程 进行计算：２ｐ／九＝篇式中：名。一预置涂层的导热系数； 九’一气孔占总体积比；计算中取气孔率为５％。（４．１３）以一单纯固态金属导热系数；７运动激光束的处理激光熔覆过程中激光束处于运动状态，采用ＡＮＳＹＳ参数化设计语言ＡＰＤＬ编写的 宏命令实现了激光束的运动，主要是借助其在不同的时刻在不同的位置提供相应的热源输 人。考虑到第四章讨论的边缘塌陷问题，在覆层的起头和结尾的地方均留ｌｍｍ，将沿激 光扫描的方向将扫描的距离３０ｒａｍ分成１５段，将各段的中点作为热源中心，施加均匀分布的激光热源，每一步移动２ｍｍ。在求解的过程中，第一次循环假设模型具有统一的初 始温度和边界条件，在接下来的循环中，首先去除上次的热源输人和在新的位置施加热源，并且将上一次计算的结果温度作为本次循环的初始条件，依次计算，直到全部的循环结束。４０浙江工业大学硕士学位论文４．３．２后处理一ｉ孑：＿＝－～――――――礤一＿三忑＿一～一四ｉ。．。黑黟焉萧焉紊号？曩一…要烹焉惹焉导手詈鼍气≮享＿＝＝＝了―――――］诼厂＿０）第８步，墨！茎量互三三三二：＝＝：ｆｄ）第１１步―，划啦葛芦―＿蠹胃―＿＝ｉ：育＿ｏ鼍，（ｅ）第１４步一立二ｉ意｝……雷４｛不同时刻的温度场要◆选取第１、３、８、１１、１，４、１５步时的温度场云图进行讨论，如图４－８所示，由图可以 看出，移动的激光熔池光斑表面形状不同于静止激光柬形成的圆形熔池，而是呈拖尾的彗浙江工业大学硕士学位论文星状（如图４－９）。激光直接照射处的温度最高，特别是高斯热源中心，而且短时间内可以 上升到根高的温度，扫描过后温度急剧降低。向前移动的过程中，熔池也随着热源同时移 动，温度场分布也随着发生变化。在光斑周围，温度场分布趋于平衡，即进入准稳态。…！慧矗＝每忑。髻鼍ｌ（ａ１第８步ｓ（ｂ）第１】步 图４－９彗星状的熔池＾Ｎ…一“，＿＿―毫ｉ≯＝焉唔Ｆ＝弓亭二＝叠鼍Ｐ（ａ）第１步寰，‘‘妄ｉ。―《ｆ――ｊ―。二。。。，！！！―＝！二――――――――――――――――――――――――――一ｍ第３步―刀ｎ＿＝忑＝■―――――――――――１讯＿ｒ］ ”搿。：； “．譬引＝：“ 嚣’１。。：蓍毫？，：曼＝兰茎兰茎：茎＝，：：（ｃ）第１２步烹篙》葛纛―写＿―，（由第１５步图４－１０纵向熔弛的云图浙江工业大学硕士学位论文以激光光斑中心位置为分界点观察纵向熔池的云图，可以发现，在光斑中心前，等温 线密集，温度梯度较大。在激光光斑中心后，等温线较稀疏，温度梯度小。如图４－１０所 示的第１、３、１２、１５步时纵向的熔池云图。 截取第８步及最后一步，以光斑中心为分割线，观察截面的熔池形状大致相同，熔池 深度稍有加深，如图４―１１所示。 取第１、３、８、１１、１４步时的光斑中心单元，如图４－１２（ａ）上的红点位置，取其上的 某一节点为研究对象．（ｂ）所示第一步光斑中心为第４６８０单元，取２９７结点，观察其在熔 覆过程中的温度变化，我们可以发现，试样在激光加工过程中，温度急剧上升。当激光束 移出该点后，温度又迅速下降，表现为典型的急热急冷特征，因此会产生很大的温度梯度， 导致残余应力的产生。如图４．１３所示。――――］碾ｒ］＝二＝＾Ｎ一“）第８步 图４－１Ｉ截面熔池形状一Ｏ）第１５步口（曲疆层的单元图４－１２观察点 （ｂ）第４６８０个单元４３Ｌ―●浙江工业大学硕士学位论文（ａ）第ｌ步佑１第３步（ｃ）第８步ｄ）第１１步（曲第１４步 图４－１３节点温度变化浙江工业大学硕士学位论文图４．１４节点温度变化汇集４．４验证性试验研究４．４．１温度测量试验操作图 随着计算机技术和红外测温技术的发展，人们开始尝试利用红外热成像测温仪也称红 外测温仪对熔池温度实旅定点测量和实时跟踪测量（如图４一１４），读取数据，它是一种红外 波段的摄像机，可以将物体的热分布在显示器上以伪彩色可视图显示，对温度场的测量具 有真实性和客观，在科学研究中已有广泛应用。同时我们也可以利用专门软件对红外热图 像进行分析，得到最高温度、单点温度、多点温度、等温分布、冷却速率等结果，为激光 熔覆温度场的获得开辟了一条新的思路。 非接触红外测温法有很多优点，如能快速、便捷的测温，测温范围宽，如Ｒａｙｔｅｋ（雷 泰）为．５０～３０００＂Ｃ，且不影响温度场分布，尤其是对高热、带电危险或难以接触的物体能 迅速测温。测量响应时间短，反应速度快，易于快速与动态测量，可测多维温度场，操作 方便等，但这种测温方式也有它局限性： （１）只能测量表面温度不能测量内部温度。 （２）不能透过玻璃进行铡温，因为玻璃有很特殊的反射和透过特性影响红外线精确测温， 同时对于光亮的或抛光的金属表面（如不锈钢、铝等）也存在这样的问题。 （３）测温距离有限，距离系数由光学分辨率决定即Ｄ：ｓ（测温仪到物体的距离与被测光斑 尺寸）之比确定，增加测温距离就是增大光学分辨率同时测温仪的成本也增高。浙江工业大学硕士学位论文（４）测量误差大、对环境条件要求高，期４温仪所处的环境条件（灰尘、烟雾、蒸汽）对测量结 果有很大影响，不仅会影响测温精度甚至造成仪器损坏。 现阶段，主要采用两种方法； 定点测量：将测温仪固定于支架上，在对激光器调光的时候将探测头对准熔覆路径上 的一点，观察激光经过某一定点前后的温度变化情况，如图４―１５（ａ）所示。 实时跟踪测量：将测温仪与激光输出轴固定在一起．与输出激光束成＜３０。夹角，如 上图４－１５（ｂ１所示，这样在熔覆过程中，可以对整个熔池温度进行实时监测，直观地看到 温度变化的情况，为激光熔覆熔池温度实时监控奠定了基础。（ａ）定点测量法 图４．１５测量方法曲）跟踪测量法４．４．２温度监测系统 本文建立的熔池中某一点温度的实时监测系统如图４－１６（ａ）所示。将如图４－１６（ｂ）所示 的红外线测温仪固定在仪器上，使测温仪的探测头始终对准覆层上的某一点．测温信号经 过处理后，传给工控机。测温仪采用德国Ｏｐｔｒｉｓ公司的ＭｃｆｉｓＭｌｌ６ＭＢ２５型红外线测温仪 器。其基本性能指标如表４．２所示。；强．Ｕ。：’Ｅ丑一医五１干ｉ；一．匿Ｎ“４警崖生曲熔池温度监测示意图ｂ）红外线测温仪实物图国４－１６红外温度仅的温度监测示意图４６浙江工业大学硕士学位论文表啦ＭｅｔｉｓＭＪｌ６ＭＢ２５型红外线测温仪基本性能指标名称 光谱响应焦距 系统精度 响应时间 测温区间士０性能参数ＩＡ５―１ ８ｔｕｎ可调、激光瞄准７５州测量值）上１℃５ｒｍ ５００～２５００℃ ０１℃分辨率置图４―１７测试点４４３实验测试结果 本次实验是为了测试利用Ｃ０２激光器在热作塑料模具钢Ｐ２０表面熔覆Ｈ１３粉过程中的覆层中某一点的温度变化。标有Ａ、Ｂ区域表示熔覆层，该实验为了测试精确，减少送 粉时，粉末的吸收率及对能量的影响，采用了预置粉末的方法。铺粉长度为３０ｍｍ，红外 线测温仪的探测头分别对准离覆层起头５ｍｍ及１５ｒａｍ，即Ａ点和Ｂ点，如图４?１７所示。 测得的温度场变化的曲线如图４－１８所示。浙江工业大学硕士学位论文ａ）Ａ点的温度变化∞Ｂ点的温度变化图４－１８定点温度变化测试图从图可以根清楚的看到，在激光没有扫描到该点之前，由于热传导作用使未扫面区域 预热，该点的温度有所上升，在激光扫描到该点之时，温度在短时间达到最大值，达到１７４５ ℃，而激光离开该点之后．工件通过热传导方式散热冷却，此外还通过工件的表面与空气 对流和辐射进行散热冷却，温度急剧的下降，充分的体现了激光快速加热和冷却的特点。浙江工业大学硕士学位论文４．５结论比较图４．１３（ｂ）与４．１８（ａ），４―１３（ｃ）与４―１８Ｃｏ），可以得出利用ＡＮＳＹＳ模拟激光熔覆温 度场，选择合适的激光热源的形式，能建立接近真实状况的温度场模型。 由于激光熔覆过程是一个复杂的热物理化学反应过程，因此，通过试验过程来测量其内部温度分布及冷却速度是非常困难的，也不可能对每一种工艺参数的改变进行测量，这既需要大量的时间，又会浪费许多的材料。因此，建立数学模型进行模拟激光熔覆过程中 的温度分布，具有重要的意义，通过模拟可以对不同材料的熔覆过程进行控制，选择出最 佳的工艺参数，可以方便、有效的减少在实验中为选择最佳参数时的时间和材料的浪费， 具有重要的现实意义。４．６本章小结１采用预置法，在热作塑料模具钢Ｐ２０表面激光熔覆Ｈ１３粉，利用有限元ＡＮＳＹＳ分析软件，对激光熔覆过程的温度场进行了数值模拟。选用高斯热源分布的近似热源模型，考虑了材料的非线性特点、相变潜热及边界换热处理，通过ＡＰＤＬ二次开发语言实现移动热源的加载和卸载；建立了激光熔池瞬态温度分布数学模型。２利用Ｍｅｔｉｓ Ｍ１１６ＭＢ２５型红外线测温仪器对基体材料为塑料模具钢Ｐ２０，熔覆材料 Ｈ１３粉的熔覆过程中的某一定点温度测量。结果表明，在激光没有扫描到该点之前，由于 热传导作用使未扫面区域预热，该点的温度有所上升，在激光扫描到该点之时，温度在短 时间达到最大值，而激光离开该点之后，温度急剧的下降，充分的体现了激光快速加热和 冷却的特点。３通过模拟及实验所得数据及图形的比较，得出利用ＡＮＳＹＳ模拟激光熔覆温度场，能建立接近真实状况的温度场模型，具有重要的现实意义。４９浙江工业大学硕士学位论文第五章激光熔覆残余应力场模拟激光熔覆是近年来发展很快的领域，它对于特殊形状的零件加工，在仿真成型和新 材料合成领域中，越来越受到人们的重视。而