黃武源

中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司 湖南長(zhǎng)沙 410000

1 序言

產(chǎn)品使用壽命的長(zhǎng)短直接影響其在細(xì)分領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力[1]，尤其是對(duì)于以金屬材料為產(chǎn)品母材的機(jī)械行業(yè)。盡可能地提高產(chǎn)品的耐磨性、耐蝕性是諸多科技工作者不斷追求的目標(biāo)之一。

目前，針對(duì)金屬構(gòu)件有效的強(qiáng)化處理方法有淬火、涂層涂覆、噴丸強(qiáng)化、激光熔覆、發(fā)藍(lán)及發(fā)黑等方法[2]。淬火多用于碳含量較高的工件，在獲得較高工件表面硬度的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生較大的淬火應(yīng)力，淬火深度不易控制；雖然涂層涂覆能在產(chǎn)生較小應(yīng)力的同時(shí)獲得極高的表面硬度，但其成本高昂且很難對(duì)大型工件進(jìn)行涂覆；發(fā)黑與發(fā)藍(lán)相似，都是通過(guò)藥液與工件材質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成鍍膜[3]，其涂覆深度都極為有限。當(dāng)大型工件需要進(jìn)行表面強(qiáng)化處理時(shí)，激光熔覆往往具有廣闊的前景。激光熔覆生成的熔覆層可以顯著改善基體材料表面耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化或電氣特性[4-6]，從而達(dá)到表面改性或修復(fù)的目的，在滿足材料表面特定性能要求的同時(shí)可節(jié)約大量的材料成本。與堆焊、噴涂、電鍍和氣相沉積相比，激光熔覆具有稀釋度小、組織致密、涂層與基體結(jié)合好、適合熔覆材料多、粒度及含量變化大等特點(diǎn)。

值得注意的是，在熔覆過(guò)程中的熱量會(huì)引起材料的變形，尤其是在大型工件表面進(jìn)行激光熔覆時(shí)，合理的參數(shù)可以減少因熱應(yīng)力而產(chǎn)生的變形。為解決大型結(jié)構(gòu)件在激光熔覆過(guò)程中熱應(yīng)力的問(wèn)題,利用有限元分析軟件對(duì)激光熔覆過(guò)程進(jìn)行了仿真分析。通過(guò)有限元分析和計(jì)算不同參數(shù)下的焊接殘余應(yīng)力，從而獲得較優(yōu)的熔覆參數(shù)。

2 有限元模型

以某隧道掘進(jìn)機(jī)中的大型環(huán)件的端面為例進(jìn)行激光熔覆處理，其基本參數(shù)見(jiàn)表1。為簡(jiǎn)化計(jì)算，考慮到整體進(jìn)行計(jì)算與分析計(jì)算量極其龐大，將該環(huán)件熔覆過(guò)程進(jìn)行單道熔覆層計(jì)算，故簡(jiǎn)化模型對(duì)其進(jìn)行局部分析。環(huán)件直徑過(guò)大對(duì)其取一段（40mm）進(jìn)行分析時(shí)，可近似地認(rèn)為熱源軌跡及熔覆路徑為直線，其邊界條件及網(wǎng)格劃分如圖1所示。激光熔覆的成形過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的物理冶金過(guò)程，在此過(guò)程中涉及到激光、粉末和工件這三者之間的相互作用。在激光熔覆的成形過(guò)程中，熔池內(nèi)部的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)將影響熔池內(nèi)部的傳熱、對(duì)流和傳質(zhì)，從而影響到熔覆層的凝固過(guò)程及其成分的分布。本文所研究的是單道多層的熔覆成形過(guò)程，熔覆層的外觀形狀采用月牙狀模型。

表1 零件基本參數(shù) （mm）

圖1 簡(jiǎn)化模型

為了更好地貼合實(shí)際熔覆過(guò)程，借助ABAQUS中的生死單元網(wǎng)格以及熱源子程序DFLUX實(shí)現(xiàn)熔覆過(guò)程的仿真。其中，激光模型類型為橢球熱源，熔覆參數(shù)為：激光功率Q、激光掃描速度v、光斑大小。采用全面試驗(yàn)的分析方法，分析不同工藝參數(shù)下工件表面的殘余應(yīng)力，其正交試驗(yàn)見(jiàn)表2。基體材料為Q355B（見(jiàn)表3），熔覆材料選用Fe基合金粉末[7]，其中母材的潛熱為2.77e+11mJ/mol，固相溫度為1753K，液相溫度為1793K。熱源模型的表達(dá)式為

表2 仿真參數(shù)正交試驗(yàn)

表3 Q355B物理性能參數(shù)

其中，a、b、c為橢球的半軸：a=2.5mm；b=4mm；c=2mm；π=3.1415。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 熔覆過(guò)程分析

通過(guò)模擬分析可見(jiàn)，熔覆時(shí)，熔池區(qū)域溫度與位置伴隨熱源移動(dòng)而不斷變化。熔池區(qū)域由初始的半球狀逐漸演變?yōu)榘霗E球形區(qū)域，且在熱源周圍可直觀地看到其溫度分布的云圖和溫度梯度分布不平衡。受熱區(qū)域的應(yīng)力由熔池中心往四周逐漸減小且呈橢圓狀分布，由于金屬的受熱膨脹以及邊界條件的約束，因此其在約束邊界處也出現(xiàn)了較大的應(yīng)力場(chǎng)。在熔覆的初始階段，熔覆區(qū)域所屬熔池形狀處于非穩(wěn)定狀態(tài)，將導(dǎo)致基體金屬易出現(xiàn)未熔透現(xiàn)象，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中意味著需要采取熱輸入補(bǔ)償來(lái)滿足工藝要求，即預(yù)熱。隨著熔覆進(jìn)行，工件上持續(xù)累積熱量，熔池溫度場(chǎng)分布達(dá)到平衡的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。與此同時(shí)，熔池區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)伴隨著工件溫度的不斷上升以及受熱區(qū)域的不斷增加，工件所產(chǎn)生的應(yīng)力分布以及最大應(yīng)力值大小不斷變化且呈現(xiàn)明顯的擴(kuò)大趨勢(shì)。值得注意的是，熔覆層始末端的幾何邊界對(duì)熔池形狀會(huì)產(chǎn)生影響，當(dāng)邊界形狀變化劇烈時(shí)會(huì)導(dǎo)致邊界應(yīng)力突變（見(jiàn)圖2～圖4）。

圖2 不同時(shí)間段應(yīng)力場(chǎng)

圖4 熔覆后殘余應(yīng)力場(chǎng)

3.2 掃描速度對(duì)應(yīng)力場(chǎng)與溫度場(chǎng)的影響

圖3 溫度場(chǎng)

在同一激光功率條件下，當(dāng)激光的移動(dòng)速度較小時(shí)，工件將會(huì)吸收更多的熱量，從而導(dǎo)致工件溫度過(guò)高，致使工件因熱膨脹而產(chǎn)生的應(yīng)力加劇，在邊界處極易產(chǎn)生過(guò)大的集中應(yīng)力誘使裂紋萌生；而當(dāng)激光的移動(dòng)速度超過(guò)一定程度時(shí)，工件所吸收的能量較低，傳遞到熔覆區(qū)域的能量?jī)H能夠使熔覆層材料得到熔化，但并不能使基體材料熔化，在實(shí)際生產(chǎn)中認(rèn)為該熔覆是無(wú)效的。

提取不同掃描速度下工件熔覆層橫截面上的溫度場(chǎng)云圖（見(jiàn)圖5）。隨著掃描速度的增加，工件表面熔覆范圍不斷減小，當(dāng)vs=5mm/s時(shí)，熔覆區(qū)域的溫度正好滿足基體與熔覆層之間形成冶金結(jié)合的理論溫度；當(dāng)vs=2.5mm/s時(shí)，熔覆區(qū)域的溫度小于基體與熔覆層之間形成冶金結(jié)合的理論溫度；而當(dāng)vs=7mm/s時(shí)，熔覆區(qū)域所吸收的能量大大增加，熔覆區(qū)域的溫度遠(yuǎn)大于基體與熔覆層之間形成冶金結(jié)合的理論溫度。

圖5 不同參數(shù)下的最高溫度場(chǎng)

提取不同掃描速度下工件應(yīng)力場(chǎng)云圖（見(jiàn)圖6）。隨著掃描速度的增加，工件所產(chǎn)生的熱應(yīng)力場(chǎng)變化趨勢(shì)與溫度場(chǎng)的變化趨勢(shì)一致。溫度的變化直接影響著工件熔覆時(shí)的應(yīng)力場(chǎng)以及熔覆后的殘余應(yīng)力場(chǎng)，過(guò)大的殘余應(yīng)力場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致工件在使用過(guò)程中不斷地釋放應(yīng)力，零件的精度將會(huì)不斷變化。過(guò)高的溫度會(huì)使工件在外形起伏劇烈處萌生裂紋。

圖6 不同參數(shù)下的最大應(yīng)力

3.3 激光功率對(duì)應(yīng)力場(chǎng)與溫度場(chǎng)的影響

當(dāng)掃描速度固定時(shí)，提取不同功率下工件熔覆層橫截面上的溫度場(chǎng)峰值。隨著掃描功率的增加，工件表面熔覆范圍不斷增加，當(dāng)掃描功率為2kW時(shí)，熔覆區(qū)域的溫度正好滿足基體與熔覆層之間形成冶金結(jié)合的理論溫度；當(dāng)掃描功率為1kW時(shí)，熔覆區(qū)域的溫度小于基體與熔覆層之間形成冶金結(jié)合的理論溫度；而當(dāng)掃描功率為3kW時(shí)，熔覆區(qū)域所吸收的能量大大減小，熔覆區(qū)域的溫度遠(yuǎn)小于基體與熔覆層之間形成冶金結(jié)合的理論溫度。隨著功率的增加，工件所產(chǎn)生的熱應(yīng)力場(chǎng)變化趨勢(shì)與溫度場(chǎng)的變化趨勢(shì)一致。

隨著激光功率的不斷降低，從熔覆層的表面到熔覆層的底層方向上各點(diǎn)的溫度也不斷降低，在熔覆層內(nèi)同一點(diǎn)處的溫度值也隨激光功率的降低而不斷降低。在工件熔覆過(guò)程中的溫度場(chǎng)呈現(xiàn)明顯的彗星狀，在熔池的后面明顯地形成了尾拖，熔池前方的溫度梯度較大，熔池后方的溫度梯度較小。在熔覆第一層的過(guò)程中，因?yàn)榛w的散熱作用，所以導(dǎo)致溫度場(chǎng)的高溫區(qū)域較小，主要集中在熔池的周圍，并且溫度梯度較大。

4 結(jié)束語(yǔ)

激光熔覆是一個(gè)復(fù)雜的熱力耦合過(guò)程，工藝殘余應(yīng)力形成過(guò)程復(fù)雜。通過(guò)前期對(duì)具體工件建立有限元模型進(jìn)行溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)仿真，為實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)，尤其是針對(duì)大尺寸和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件，乃至薄壁環(huán)件，在滿足熔覆層完全熔合時(shí)，盡可能減少工件的殘余應(yīng)力和熱應(yīng)力造成的塑性變形。結(jié)合有限元的仿真結(jié)果進(jìn)行實(shí)際作業(yè)，熔覆效果以及變形程度遠(yuǎn)小于之前的隨意操作，其變形程度減小30%，且結(jié)合處完全熔合，無(wú)裂縫產(chǎn)生。