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        分區(qū)預(yù)熱對(duì)金屬激光沉積成形溫度場(chǎng)的影響

        2014-03-29 02:09:52卞宏友欽蘭云韓雙隆
        激光與紅外 2014年12期
        關(guān)鍵詞:區(qū)域模型

        卞宏友,雷 洋,王 婷,楊 光,欽蘭云,王 維,韓雙隆

        (沈陽航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽110136)

        1 引言

        金屬零件激光沉積成形技術(shù)利用高能激光束局部熔化金屬表面形成熔池,同時(shí)將金屬原材料送入熔池從而實(shí)現(xiàn)高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)、致密金屬零件的直接成形制造技術(shù),它具有加工材料范圍廣泛、能量輸入可控、柔性化程度高等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),在航空、航天等領(lǐng)域中復(fù)雜貴重金屬零件的直接制造和修復(fù)領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景[1-5]。但成形制造過程中所具有的能量集中輸入、快速加熱冷卻等特點(diǎn)使得成形件內(nèi)部以及成形件與基板間存在著巨大的溫度梯度,進(jìn)而產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力,當(dāng)應(yīng)力達(dá)到成形件材料極限時(shí),會(huì)直接引發(fā)工件變形和裂紋缺陷[4];特別對(duì)于激光修復(fù)應(yīng)用而言,由于待修復(fù)工件加工余量小,修復(fù)時(shí)要防止工件開裂,也不能發(fā)生工件變形,因?yàn)榧词购苄〉淖冃瘟恳矊⑵茐墓ぜY(jié)構(gòu)的完整性;如何防止工件變形開裂更成為激光沉積成形技術(shù)實(shí)現(xiàn)拓展應(yīng)用的一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵問題[4-5]。

        降低成形過程溫度梯度是減小應(yīng)力的主要途徑,而基板預(yù)熱法是降低溫度梯度的有效方法,它在有效地降低成形過程中成形件和基板的溫度梯度的同時(shí),還可以讓成形過程的溫度場(chǎng)更加均勻穩(wěn)定[6-8]。另外,在焊接領(lǐng)域,在所有減小焊接殘余應(yīng)力和變形的方法中,溫差法具有明顯優(yōu)勢(shì),溫差法是用外部冷卻源和熱源來調(diào)節(jié)焊接過程的溫度場(chǎng),造成與常規(guī)焊接不同的溫度分布,達(dá)到控制焊接殘余應(yīng)力和變形的目的[9-10]。但目前基于溫差法消減應(yīng)力控制工件變形在激光沉積成形加工過程中的應(yīng)用尚未見報(bào)道。本文提出通過設(shè)計(jì)制造兩區(qū)感應(yīng)加熱裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)基板成形區(qū)和近成形區(qū)的成形前預(yù)熱,并形成近成形區(qū)預(yù)熱溫度相對(duì)高和成形區(qū)預(yù)熱溫度相對(duì)低的梯度溫度場(chǎng),通過成形區(qū)和近成形區(qū)的梯度溫度場(chǎng)調(diào)控,利用溫差拉伸效應(yīng)主動(dòng)控制和降低應(yīng)力的思路。為解析分區(qū)預(yù)熱對(duì)成形過程溫度場(chǎng)的影響規(guī)律,本文利用有限元分析中的“單元生死”技術(shù),通過APDL編程研究了基板分區(qū)預(yù)熱對(duì)單道多層激光金屬沉積成形過程中溫度場(chǎng)、溫度梯度的影響,詳細(xì)分析和探討了在基板預(yù)熱溫差為100℃、200℃、300℃和分區(qū)預(yù)熱不同溫度時(shí)成形過程溫度場(chǎng)和溫度梯度分布規(guī)律,為分區(qū)預(yù)熱裝置設(shè)計(jì)及預(yù)熱溫度的選擇優(yōu)化提供指導(dǎo)依據(jù)。

        2 數(shù)值模擬模型的建立

        要準(zhǔn)確反映激光沉積成形過程中成形件各點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律,就需要建立與實(shí)際成形過程相一致的溫度場(chǎng)計(jì)算模型。

        如圖1所示,利用ANSYS有限元軟件的高級(jí)分析技術(shù)中的“單元生死”技術(shù)建立基板分區(qū)預(yù)熱對(duì)激光沉積成形過程溫度場(chǎng)影響的數(shù)值模擬模型[11-12]。模型采用的基板和沉積材料均為BT20,其不同溫度下的部分熱物性參數(shù)如表1所示[13]。計(jì)算模型中基板和單道成形件的長(zhǎng)寬高X、Z、Y分別為30 mm×12 mm×8 mm和20 mm×2 mm×3 mm。為了避免網(wǎng)格過密帶來的巨大計(jì)算量,成形件采用較細(xì)的規(guī)則映射網(wǎng)格,基板采用較粗的網(wǎng)格,成形件被分成五層一道,每一層的高度為0.6 mm,寬度為2 mm,即等于激光光斑直徑。

        圖1 基板分區(qū)預(yù)熱過程數(shù)值模擬模型

        表1 不同溫度下BT20鈦合金的熱物性參數(shù)表

        如圖2所示,模型采用了單道往復(fù)掃描方式,奇數(shù)層采用沿X軸正向掃描,偶數(shù)層采用沿X軸負(fù)方向掃描。模擬過程中激光束首先在沿設(shè)定的掃描方式沿X軸正向掃描,當(dāng)?shù)谝淮纬练e完成之后,沿Y軸方向上升一個(gè)層的高度,然后開始沉積下一層。

        圖2 單道往復(fù)掃描示意圖

        3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

        通過在基板上的成形區(qū)和近成形區(qū)分別施加不同預(yù)熱溫度,對(duì)形成不同溫差的三種情況分別進(jìn)行數(shù)值模擬,圖3為基板分區(qū)預(yù)熱示意圖。模擬過程中,假設(shè)激光功率為2200 W,激光光斑直徑為2 mm,掃描速率為5 mm/s,環(huán)境溫度為20℃,整個(gè)模擬過程歷時(shí)25 s。分區(qū)預(yù)熱數(shù)值模擬是通過ANSYS中的APDL命令程序?qū)崿F(xiàn)的。首先定義不同的初始溫度,然后通過坐標(biāo)選擇不同位置區(qū)域施加不同的初始溫度,來實(shí)現(xiàn)成形區(qū)和近成形區(qū)不同預(yù)熱的溫度。

        圖3 基板分區(qū)預(yù)熱示意圖

        為使計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確,激光熱源模型選擇高斯熱源模型,如圖4所示。

        圖4 高斯熱源模型示意圖

        熱流密度到加熱中心任何一點(diǎn)A的位置均可表示為如下形式:

        式中,qm為加熱斑點(diǎn)中心最大熱流密度;R為激光有效加熱半徑;r為A點(diǎn)離激光加熱斑點(diǎn)中心的距離。用該方法得到單位體積熱生產(chǎn)率,采用ANSYS有限元軟件的APDL語言,把載荷定義為時(shí)間的函數(shù),完成移動(dòng)熱源的加載。

        3.1 分區(qū)預(yù)熱溫差為100℃、200℃、300℃時(shí)數(shù)值模擬分析

        三種預(yù)熱溫差的確定:首先設(shè)定基板上低溫區(qū)域成形區(qū)的初始溫度為200℃,基板上的高溫區(qū)域近成形區(qū)初始溫度分別為300℃、400℃、500℃。

        圖5為2.8 s、17.2 s時(shí)刻基板上成形區(qū)和近成形區(qū)兩個(gè)區(qū)域預(yù)熱溫差為100℃、200℃、300℃時(shí)模型的溫度分布云圖。如圖5(a)所示,預(yù)熱溫差為100℃時(shí),模型熔池的高溫區(qū)域和基板之間的溫差非常大,2.8 s時(shí)溫差達(dá)2488.38℃,17.2 s時(shí)溫差達(dá)2567.91℃,17.2 s時(shí)基板的絕大部分區(qū)域溫度都在480℃左右,熔池附近區(qū)域溫度在2192℃以上,熔池區(qū)域溫度甚至在2200℃以上。如圖5(b)所示,預(yù)熱溫差為200℃時(shí),2.8 s時(shí)溫差達(dá)2402℃,17.2 s時(shí)溫差達(dá)2492℃,17.2 s時(shí)基板的絕大部分區(qū)域溫度都在566℃左右,熔池附近區(qū)域溫度在2233℃以上。當(dāng)預(yù)熱溫差為300℃時(shí),如圖5(c)所示,2.8 s時(shí)溫差達(dá)2316.29℃,17.2 s時(shí)溫差達(dá)2448.98℃,17.2 s時(shí)基板的絕大部分區(qū)域溫度都在635℃左右,熔池附近區(qū)域溫度在2500℃以上。

        通過2.8 s、17.2 s時(shí)刻溫差和基板溫度的變化可以得出:隨著預(yù)熱溫差的增大,基板溫度隨之增大,熔池最高溫度有明顯增高,而且模型熔池的高溫區(qū)域和基板之間的溫差減小;所以,除熔池區(qū)域溫度較高以外,基板與成形件熔池附近區(qū)域之間的溫差有顯著降低的趨勢(shì),這有助于降低成形過程試樣內(nèi)部以及試樣與基板間的溫度梯度,有利于降低成形過程的熱應(yīng)力。所以預(yù)熱溫差300℃時(shí)較好。

        圖5 不同基板分區(qū)預(yù)熱溫差下的溫度分布云圖

        圖6 為成形第20 s時(shí)刻基板分區(qū)預(yù)熱溫差為100℃、200℃和300℃時(shí)模型的溫度梯度矢量圖。如圖6(a)所示,基板預(yù)熱溫差為100℃時(shí)模型的溫度梯度非常大,受激光能量影響的域內(nèi)溫度梯度強(qiáng)而且集中,熔池及其附近區(qū)域的溫度梯度非常大。圖6(b)為基板預(yù)熱溫差為200℃時(shí)模型的溫度梯度,沉積層中已掃描區(qū)域內(nèi)的溫度梯度較預(yù)熱溫差為100℃時(shí)的溫度梯度變小,沿Y軸正方向的趨勢(shì)有所降低。如圖6(c)所示,基板預(yù)熱溫差為300℃時(shí)模型的溫度梯度明顯降低,模型中受激光能量影響域內(nèi)的溫度梯度幅值較預(yù)熱溫差為100℃、200℃時(shí)的溫度梯度明顯小很多,沿Y軸正方向的趨勢(shì)也明顯減弱。

        三種預(yù)熱溫差模擬結(jié)果分析得出,隨著預(yù)熱溫差的增大,沉積成形過程中溫度梯度逐漸變小。這是因?yàn)轭A(yù)熱溫差大時(shí),相當(dāng)于近成形區(qū)域的預(yù)熱溫度比成形區(qū)域預(yù)熱溫度大很多,也就是預(yù)熱溫差為300℃時(shí)基板的相對(duì)溫度比預(yù)熱溫差為100℃時(shí)基板的相對(duì)溫度大,溫差大等于提高基板的溫度,也就降低了成形件與基板間的溫差,從而降低了成形過程的溫度梯度。

        圖6 不同預(yù)熱溫差下成形第3 s、20 s時(shí)的溫度梯度矢量圖

        圖7 為基板預(yù)熱溫差分別為100℃、200℃、300℃時(shí)模型第一層節(jié)點(diǎn)的溫度變化曲線圖。隨著預(yù)熱溫差的增大,三個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度逐漸升高。預(yù)熱溫差為100℃時(shí),節(jié)點(diǎn)5、6和7的最低溫度在200℃左右,最高溫度在2800℃左右;預(yù)熱溫差為200℃時(shí),節(jié)點(diǎn)5、6和7的最低溫在300℃左右,最高溫度在2800℃以上;預(yù)熱溫差為300℃時(shí),節(jié)點(diǎn)5、6和7的最低溫在400℃以上,最高溫度在2800℃以上;隨著預(yù)熱溫差的增大,成形過程中溫度變化的幅度逐漸減小,這與前面分析的溫度梯度變化結(jié)果相一致。所以預(yù)熱溫差增大有助于減小沉積成形過程內(nèi)部的溫度梯度,使整個(gè)過程溫度分布均勻,進(jìn)而有利于降低成形過程中的熱應(yīng)力。

        圖7 基板分區(qū)預(yù)熱溫差下模型第一層節(jié)點(diǎn)溫度變化曲線

        綜合基板分區(qū)預(yù)熱溫差為100℃、200℃、300℃時(shí)的溫度場(chǎng)云圖、溫度梯度圖以及溫度變化曲線圖可知,隨著預(yù)熱溫差的增大,熔池的溫度有明顯增大,基板與成形件熔池附近區(qū)域之間的溫差有顯著降低的趨勢(shì),所以基板預(yù)熱溫差增大有利于降低成形過程中的熱應(yīng)力。

        3.2 基板分區(qū)預(yù)熱與整體預(yù)熱數(shù)值模擬對(duì)比分析

        3.2.1 成形區(qū)和近成形區(qū)不同預(yù)熱溫度(溫差固定300℃)時(shí)數(shù)值模擬分析

        圖8為基板上成形區(qū)和近成形區(qū)兩個(gè)區(qū)域分別改變預(yù)熱溫度時(shí)模型的溫度分布云圖。如圖8(a)所示,成形區(qū)預(yù)熱溫度為100℃,近成形區(qū)預(yù)熱溫度為400℃時(shí),模型熔池的高溫區(qū)域和基板之間的溫差非常大,2.8 s時(shí)溫差達(dá)2401.92℃,17.2 s時(shí)溫差達(dá)2499.49℃,17.2 s時(shí)基板的絕大部分區(qū)域溫度都在566℃左右,熔池附近區(qū)域溫度在1724℃以上,圖(a)預(yù)熱溫度方式產(chǎn)生的溫度結(jié)果與預(yù)熱溫差為200℃時(shí)相當(dāng);當(dāng)成形區(qū)預(yù)熱溫度為200℃,近成形區(qū)預(yù)熱溫度為500℃時(shí),如圖8(b)所示,2.8 s時(shí)溫差達(dá)2316.29℃,17.2 s時(shí)溫差達(dá)2448.98℃;圖8(c)成形區(qū)預(yù)熱溫度為300℃,近成形區(qū)預(yù)熱溫度為600℃時(shí),2.8 s時(shí)溫差達(dá)2230.98℃,17.2 s時(shí)溫差達(dá)2392.64℃,熔池的高溫區(qū)域和基板之間的溫差較前兩種預(yù)熱方式有明顯減小的趨勢(shì),而且17.2 s時(shí)基板溫度均在700℃以上,熔池附近區(qū)域溫度在2000℃以上。

        圖8 基板分區(qū)預(yù)熱不同溫度時(shí)模型的溫度分布云圖

        分析得出:固定預(yù)熱溫差為300℃,隨著兩個(gè)區(qū)域預(yù)熱溫度的升高,基板的溫度明顯升高,熔池的溫度基本維持穩(wěn)定,基板與熔池附近區(qū)域之間的溫差顯著降低,有利于降低成形過程成形件內(nèi)部以及成形件與基板間的溫度梯度,進(jìn)而降低成形過程的熱應(yīng)力,所以成形區(qū)預(yù)熱300℃,近成形區(qū)預(yù)熱600℃較好。

        圖9 基板分區(qū)預(yù)熱不同溫度下成形第3 s、20 s時(shí)的溫度梯度矢量圖

        圖9 為成形第3 s、20 s時(shí)刻模型基板成形區(qū)與近成形區(qū)分別預(yù)熱不同溫度時(shí)模型的溫度梯度矢量圖。如圖9(a)所示,基板成形區(qū)和近成形區(qū)預(yù)熱溫度分別為100℃、400℃時(shí)模型的溫度梯度值非常大,沉積層中已掃描區(qū)域內(nèi)的溫度梯度強(qiáng)而且集中;如圖9(b)所示,基板成形區(qū)和近成形區(qū)預(yù)熱溫度分別為200℃、500℃時(shí)模型的溫度梯度明顯降低,模型沉積層中已掃描區(qū)域內(nèi)部的溫度梯度幅值較圖(a)預(yù)熱方式的溫度梯度明顯小很多,而且溫度在基板上分布的范圍更大、更均勻,圖9(c)所示,基板成形區(qū)和近成形區(qū)預(yù)熱溫度分別為300℃、600℃時(shí)模型溫度梯度明顯降低。這是因?yàn)?在相同激光工藝參數(shù)的成形過程中,基板分區(qū)預(yù)熱的溫度越大,激光輸入的能量在成形過程中向基板傳送時(shí)越慢,而且基板的溫度隨著成形過程的熱量輸入升高,這樣就降低了基板與成形層之間的溫差,有助于整個(gè)沉積成形過程內(nèi)部溫度場(chǎng)的均勻化。

        圖10為基板上成形區(qū)和近成形區(qū)分別預(yù)熱不同溫度時(shí)模型第一層節(jié)點(diǎn)的溫度變化曲線圖。如圖10(a)所示,成形區(qū)域預(yù)溫度100℃,近成形區(qū)域預(yù)溫度為400℃時(shí),節(jié)點(diǎn)5、6和7的最低溫度在400℃以下,最高溫度在2800℃左右;如圖10(b)所示,成形區(qū)域預(yù)溫度200℃,近成形區(qū)域預(yù)溫度為500℃時(shí),節(jié)點(diǎn)5、6和7的最低溫度在400℃左右,最高溫度在2800℃左右;當(dāng)成形區(qū)域預(yù)溫度300℃,近成形區(qū)域預(yù)溫度為600℃時(shí),如圖10(c)所示,節(jié)點(diǎn)5、6和7的最低溫度在400℃以上,最高溫度在2800℃左右;隨著基板上成形區(qū)和近成形區(qū)預(yù)熱溫度的增大,成形過程中溫度變化的幅度逐漸減小,這與前面分析的溫度梯度變化結(jié)果相一致。所以分別提高基板上成形區(qū)和近成形區(qū)預(yù)熱溫度有助于改善沉積成形過程溫度分布的均勻程度。進(jìn)而降低成形過程中的熱應(yīng)力。

        圖10 基板分區(qū)預(yù)熱不同溫度時(shí)第一層節(jié)點(diǎn)溫度變化曲線

        綜合基板上成形區(qū)和近成形區(qū)預(yù)熱不同溫度時(shí)的溫度場(chǎng)云圖、溫度梯度圖以及溫度變化曲線圖可知,隨著分區(qū)預(yù)熱溫度的增大,熔池的溫度變化趨于穩(wěn)定,各節(jié)點(diǎn)的溫度變化曲線也逐漸變得更加平滑,成形過程的溫度梯度變小,所以分區(qū)預(yù)熱溫度的增大有利于降低成形過程中的熱應(yīng)力。

        3.2.2 基板整體預(yù)熱300℃時(shí)數(shù)值模擬分析

        如圖11所示,基體整體預(yù)熱溫度為300℃時(shí),2.8 s時(shí)溫差達(dá)2484.23℃,17.2 s時(shí)溫差達(dá)2568.93℃,熔池附近區(qū)域溫度在2000℃以上,熔池區(qū)域溫度甚至在2500℃以上,模型熔池的高溫區(qū)域和基板之間的溫差非常大。

        圖11 基體整體預(yù)熱300℃時(shí)模型的溫度分布云圖

        圖12 為成形第3 s、20 s時(shí)刻模型基板整體預(yù)熱300℃時(shí)模型的溫度梯度矢量圖。從圖中可以看出溫度梯度值非常大,模型沉積層中已掃描區(qū)域內(nèi)部的溫度梯度幅值較圖9(c)預(yù)熱方式的溫度梯度明顯大很多?;逭w預(yù)熱300℃是模型的溫度梯度分布與基板分區(qū)域熱溫差為100℃時(shí)模型的溫度梯度分布相當(dāng)。所以要得到均勻的溫度分布,整體預(yù)熱不如分區(qū)預(yù)熱效果好。

        圖12 基體整體預(yù)熱300℃時(shí)模型的溫度梯度矢量圖

        圖13 為基板整體預(yù)熱300℃時(shí)模型第一層節(jié)點(diǎn)的溫度變化曲線圖。如圖13所示,節(jié)點(diǎn)5、6和7的最低溫度在200℃左右,最高溫度在2800℃左右,溫度梯度非常大,這與前面分析的溫度梯度曲線圖結(jié)果相一致。

        圖13 基板整體預(yù)熱300℃時(shí)模型第一層節(jié)點(diǎn)溫度變化曲線

        基板分區(qū)預(yù)熱(固定溫差300℃)成形區(qū)預(yù)熱300℃,近成形區(qū)預(yù)熱600℃與基板整體預(yù)熱300℃數(shù)值模擬對(duì)比分析得出:分區(qū)域熱溫度梯度明顯減小,成形過程整體溫度更趨于均勻,更有利于降低成形過程的熱應(yīng)力。

        4 結(jié)論

        通過分析研究基板分區(qū)預(yù)熱對(duì)激光沉積成形過程溫度場(chǎng)、溫度梯度影響的數(shù)值模擬,并進(jìn)行詳細(xì)分析研究,得到結(jié)論如下:

        (1)利用ANSYS有限元分析中的“單元生死”技術(shù),通過APDL編程分別模擬分析了基板分區(qū)預(yù)熱不同溫度及兩區(qū)不同預(yù)熱溫差對(duì)單道多層激光沉積成形過程的溫度場(chǎng)的影響。

        (2)基板預(yù)熱溫差為300℃時(shí)較預(yù)熱溫差為100℃、200℃的基板與成形熔池附近區(qū)域之間的溫差顯著降低,這有助于降低成形過程成形件內(nèi)部以及成形件與基板間的溫度梯度,從而減低成形過程的熱應(yīng)力。

        (3)基板上成形區(qū)和近成形區(qū)預(yù)熱溫度分別增大,成形過程內(nèi)部溫度梯度幅值變小,在成形高度生長(zhǎng)的Y軸方向溫度變化幅度變小,溫度梯度趨向于減小。

        (4)通過不同預(yù)熱方式的數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析,分區(qū)預(yù)熱方式較整體預(yù)熱方式的溫度梯度更趨于穩(wěn)定,成形過程溫度更均勻,更有利于降低成形過程中的熱應(yīng)力。

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