摘 要：激光重熔過(guò)程中溫度及應(yīng)力的演變決定著成形件的組織和服役性能。以ANSYS平臺(tái)為例，綜述了激光重熔過(guò)程中溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分析流程，深入討論了分析過(guò)程中的網(wǎng)格劃分、移動(dòng)熱源施加、邊界條件設(shè)定、熱力耦合場(chǎng)、后處理等關(guān)鍵問(wèn)題的處理方法，為激光重熔數(shù)值模擬提供一定的理論借鑒。

關(guān)鍵詞：激光重熔 熱力耦合場(chǎng) 數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TG174.44文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2013）04（c）-0222-03

激光重熔技術(shù)是一種采用高能密度的激光束照射金屬或涂層表面，使金屬表層或涂層快速熔凝與基體形成冶金結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)金屬表面強(qiáng)化的方法[1-2]。但激光重熔過(guò)程中溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的演變影響著成形件的組織、成分，進(jìn)而決定著成形件的輔以性能，因此掌握激光重熔過(guò)程中熱力耦合場(chǎng)的分布至關(guān)重要。

但激光重熔過(guò)程時(shí)間短，物理、化學(xué)、冶金變化較為復(fù)雜，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)手段很難準(zhǔn)確獲得溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的分布。因此很多學(xué)者偏向于采用數(shù)值模擬的手段來(lái)掌握其溫度、應(yīng)力演變過(guò)程。該文基于ANSYS平臺(tái)，詳細(xì)綜述了激光重熔過(guò)程中溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)分析流程和關(guān)鍵問(wèn)題的處理方法，旨在為后續(xù)溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬提供必要的理論依據(jù)。

1 熱力耦合場(chǎng)分析方案及模型假設(shè)

在激光重熔過(guò)程中，影響重熔層組織結(jié)構(gòu)的主要因素包括材料性能、激光工藝參數(shù)，而工藝參數(shù)則是熔池溫度及形狀變化的原因，具體工藝參數(shù)包括：激光功率P、掃描速度V、光斑直徑D等。有限元模擬即將激光功率P、掃描速度V、光斑直徑D和材料熱物理性能等參數(shù)以數(shù)學(xué)模型的形式加載在所建立的模型上，從而模擬出熔池溫度場(chǎng)，由于溫差的存在所引起的膨脹或收縮，當(dāng)所引起的膨脹與收縮受到無(wú)外力約束時(shí)，在物體內(nèi)部產(chǎn)生由于溫度變化所引起的熱變形受到約束而產(chǎn)生的應(yīng)力稱之為熱應(yīng)力[3]。在ANSYS中，計(jì)算應(yīng)力場(chǎng)的方法有直接耦合法和間接耦合法。直接耦合即使用同時(shí)具有溫度和位移的耦合單元，進(jìn)行求解之后直接得到溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的結(jié)果，間接耦合即先進(jìn)行溫度場(chǎng)求解，將得到的溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果作為體載荷施加在應(yīng)力場(chǎng)中進(jìn)行應(yīng)力分析。由于在激光重熔過(guò)程中同時(shí)經(jīng)歷著溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的變化，嚴(yán)格意義上說(shuō)其是相互耦合的，但由于應(yīng)力場(chǎng)對(duì)溫度場(chǎng)的影響較溫度場(chǎng)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響要小的多，故在數(shù)值模擬過(guò)程中一般先對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，將得到的溫度場(chǎng)結(jié)果作為應(yīng)力場(chǎng)的載荷，再進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)分析，即只進(jìn)行熱力單向耦合。圖1所示為ANSYS熱力耦合分析流程圖。

由于激光重熔是一個(gè)急熱驟冷的過(guò)程，故在建模時(shí)考慮了材料熱物性參數(shù)、材料力學(xué)性能隨溫度的非線性變化、相變潛熱及試樣的對(duì)流換熱和熱輻射等，一般對(duì)溫度場(chǎng)模型做如下假設(shè)[4]：（1）材料連續(xù)和各向同性；（2）材料表面對(duì)激光的吸收率不隨溫度變化；（3）忽略熔池流動(dòng)；（4）忽略材料的汽化作用。對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的假設(shè)為[5]：（1）材料連續(xù)和各向同性；（2）忽略熔池流體的流動(dòng)，將流體假設(shè)成流動(dòng)應(yīng)力很低的固體；（3）涂層和基體均采用彈塑性材料模型；（4）忽略材料塑性變形的生熱，即采用熱力弱耦合；（5）不考慮初始應(yīng)力。

隨溫度變化的材料熱物性參數(shù)和力學(xué) 性能參數(shù)對(duì)于瞬態(tài)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的模擬尤為關(guān)鍵，在輸入材料熱力學(xué)參數(shù)時(shí)，必須考慮隨溫度變化的情況，此外對(duì)于金屬而言相變潛熱的影響不可忽略，在進(jìn)行溫度場(chǎng)分析時(shí)可采用隨溫度變化的焓值來(lái)解決相變潛熱問(wèn)題。

1.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

激光重熔過(guò)程溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)模擬建模時(shí)，應(yīng)當(dāng)與實(shí)際工藝相符。目前國(guó)內(nèi)外大多學(xué)者采用長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)來(lái)建立有限元模型，如圖2所示，但這類模型只能模擬簡(jiǎn)單地板類工件的激光重熔，對(duì)于回轉(zhuǎn)體類零件[6]則無(wú)法模擬，如齒輪、套筒等，在模擬這些零件的表面重熔時(shí)必須建立真實(shí)形狀的有限元模型，如果模型結(jié)構(gòu)較為對(duì)稱，可以考慮采用1/2或1/4建模方式。對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多采用在Pro/E或UG等軟件中建立三維模型再通過(guò)IGES等圖形交換格式導(dǎo)入有限元分析軟件中的方法，并在數(shù)據(jù)庫(kù)里形成節(jié)點(diǎn)、單元等模型數(shù)據(jù)[7-9]，如圖3所示。

網(wǎng)格劃分質(zhì)量直接影響有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和精度，因此劃分網(wǎng)格時(shí)要充分考慮計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度的統(tǒng)一性。網(wǎng)格細(xì)密雖然能提高精度，但大大延長(zhǎng)分析時(shí)間；網(wǎng)格粗化，雖能減少計(jì)算時(shí)間，但計(jì)算精度無(wú)法保證。激光重熔過(guò)程的溫度場(chǎng)模擬屬于瞬態(tài)的熱分析過(guò)程，一般采用SOLID70及SOLID90單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，但在實(shí)際模擬過(guò)程中還存在熱對(duì)流的問(wèn)題，而在ANSYS中熱對(duì)流和熱流密度不能同時(shí)加載在SOLID70單元上，因此，仇衛(wèi)華等[10]提出了采用表面效應(yīng)單元，將其覆蓋在有熱對(duì)流的實(shí)體表面上，從而解決了這一問(wèn)題，使模擬結(jié)果更加貼近實(shí)際過(guò)程。同時(shí)，在激光重熔過(guò)程中，接近熱源的區(qū)域溫度梯度較大，故對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)要根據(jù)精度要求，盡量密一些，而對(duì)于溫度梯度不大，精度要求不高且遠(yuǎn)離熱源的區(qū)域則可以采用較稀疏的網(wǎng)格劃分。

1.2 移動(dòng)熱源的施加

2 后處理

ANSYS主要有兩種后處理方式：通用后處理器（POST1）和時(shí)間歷程后處理器（POST26）。POST1是對(duì)整個(gè)模型在某一載荷步（時(shí)間點(diǎn)）的結(jié)果進(jìn)行后處理，POST26則可以對(duì)模型中的特定點(diǎn)在所有載荷步（整個(gè)瞬態(tài)過(guò)程）的結(jié)果進(jìn)行后處理。

在進(jìn)行POST1后處理時(shí)，首先要保證的是數(shù)據(jù)庫(kù)中要有相應(yīng)的模型數(shù)據(jù)（節(jié)點(diǎn)、單元），然后再將數(shù)據(jù)從結(jié)果文件讀入數(shù)據(jù)庫(kù)。在這里可以利用SETSSUBSET或APPEND命令，即可讀取任意時(shí)間點(diǎn)的結(jié)果。如果設(shè)定的時(shí)間點(diǎn)不在任何一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，ANSYS會(huì)進(jìn)行線性插值。

而POST26是用于檢查模型中指定點(diǎn)的分析結(jié)果與時(shí)間、頻率等的函數(shù)關(guān)系，其中一個(gè)典型用途是在瞬態(tài)分析中以圖形表示結(jié)果項(xiàng)與時(shí)間的關(guān)系，或者在非線性分析中以圖形表示作用力與撓度的關(guān)系[13]。

溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果可以以云圖、等值線等形式直觀顯示。可以清晰地看出某時(shí)刻溫度和應(yīng)力的分布情況，為工藝參數(shù)選擇和預(yù)測(cè)缺陷提供最為可靠的依據(jù)。除此之外，為了更為直觀在顯示激光重熔過(guò)程中的溫度應(yīng)力演變情況，還可以將ANSYS中的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，利用專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件如Origin來(lái)進(jìn)行處理。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）激光重熔過(guò)程中溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布影響著成形件質(zhì)量，對(duì)激光重熔過(guò)程進(jìn)行有限元模擬可以掌握溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)演變規(guī)律，同時(shí)有助于工藝參數(shù)的選擇和優(yōu)化。

（2）激光重熔模擬過(guò)程中，模型的建立、網(wǎng)格的劃分、移動(dòng)熱源的應(yīng)用、邊界條件的處理對(duì)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性影響較大。

（3）有限元模擬結(jié)果可以通過(guò)溫度/應(yīng)力曲線、云圖等直觀顯示，同時(shí)可以借助Origin等數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行更為詳細(xì)的處理。

參考文獻(xiàn)

[1]Felipe Bertelli， ElisangelaS.Meza，PedroR.Goulart，et al. Laser remelting of Al–1.5 wt%Fe alloy surfaces： Numerical and experimental analyses[J].Optics and Lasers in Engineering，2011（49）：490-497.

[2]B.S. Yilbas，S.S.Akhtar. Laser re-melting of HVOF coating with WC blend：Thermal stress analysis[J].Journal of Materials Processing Technology，2012 （212）：2569-2577.

[3]向智，廖敦明，陳濤，等.基于有限單元法的鑄件熱應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬[J].特種鑄造及有色合金，2011，31（12）：1103-1106.

[4]田宗軍，王東生，黃因慧，等.45鋼表面激光重熔溫度場(chǎng)數(shù)值模擬[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2008，29（6）：173-178.

[5]郝南海，陸偉，左鐵釧.激光熔覆過(guò)程熱力耦合有限元應(yīng)力場(chǎng)分析[J].中國(guó)表面工程，2005（1）：20-24.

[6]張哲，韓彬，王勇，等.工件形狀對(duì)激光相變硬化溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的影響[J].中國(guó)激光，2012，39（8）：1-7.

[7]陳剛，黎向鋒，左敦穩(wěn)，等.基于有限元的激光熔覆凝固過(guò)程分析[J].中國(guó)機(jī)械工程，2012，23（4）：468-473.

[8]陳列，古成中，謝沛霖.斜齒輪軸齒面激光熔覆過(guò)程中溫度場(chǎng)的數(shù)值分析[J].中國(guó)激光，2011，38（3）：115-120.

[9]CHEN Lie，XIE Peilin.Numerical Analysis and Experimental Research of Deformation of Gear Shaft in Laser Cladding on Teeth Surfaces，2010，ICMEE.

[10]仇衛(wèi)華，劉長(zhǎng)毅.基于ANSYS的激光熔覆的數(shù)值模擬[J].機(jī)械制造與研究，2008，37（1）：13-15.

[11]舒鳳遠(yuǎn).AIN陶瓷表面快速制備銅覆層過(guò)程數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[12]趙國(guó)宏，試論激光熔覆數(shù)值模擬過(guò)程中的熱源模型[J].科技致富向?qū)В?012（29）：383-384.

[13]郭華鋒，周建忠，胡增榮.金屬粉末激光燒結(jié)溫度場(chǎng)的三維有限元模擬[J].工具技術(shù)，2006（11）：13-18.

[14]Chaowen Li，Yong Wang，Huanxiao Zhan， et al.Three-dimensional finite element analysis of temperatures and stressesin wide-band laser surface melting processing[J]. Materials and Design， 2010（31）：3366-3373.

[15]王東生，田宗軍，沈理達(dá)，等.TiAl合金表面激光重熔等離子噴涂MCrAlY涂層熱力耦合有限元分析[J].應(yīng)用激光，2008，28（2）：92-98.