劉明杰,劉恒慨,方立友

(1.沈陽理工大學,遼寧 沈陽 110000；2.無錫太湖學院,江蘇 無錫 214064)

1 引 言

隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展以及經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,體育教育產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛,人們對體育器械的需求也逐漸增加,近幾年的新體育器械產(chǎn)量極大。傳統(tǒng)體育器械的加工技術(shù)使用后易造成硬化層厚度不易控制的問題。為解決此問題,亟需尋找一種新的金屬熱處理工藝。經(jīng)過多年的摸索,激光表面強化技術(shù)成為體育器械金屬加工過程的核心技術(shù)。激光表面強化技術(shù)是一種以激光作為能量源泉的,對金屬材料進行硬化與焊接的技術(shù),其主要包括激光表面合金化、硬化技術(shù)[1-2]。在體育器械鋁合金板材的強化過程中,接縫處以遠高于周圍區(qū)域的速度被急劇加熱,極易產(chǎn)生不均勻溫度場。與此同時,激光熱處理受到激光束與材料物理參數(shù)的影響較大,不同的激光器、材料都會導致表面強化效果下降[3]。合理設定體育器械用鋁合金材料的激光表面強化參數(shù),對于表面強化技術(shù)推廣應用具有重要意義。

近些年來,計算機技術(shù)得到了廣泛應用,數(shù)值模擬分析方法成為求解技術(shù)性問題的主要工具。部分與熱處理相關的學科,如流場動力學、相變原理均得到了深入的研究,為激光熱處理計算機模擬方法的開發(fā)提供了基礎。但部分激光熱處理數(shù)值模擬方法還存在相應的問題。對文獻[4]進行分析可以發(fā)現(xiàn),此文章中使用熱-結(jié)構(gòu)耦合算法對材料形成表面微納結(jié)構(gòu)活動情況加以分析,此方法在一定程度上提升了對表面應力的分析能力,但與激光表面強化的適配性較低,還需要進行完善與優(yōu)化。為此,在本次研究中將設計一種新型的體育器械用鋁合金材料的激光表面強化數(shù)值模擬方法,力求在常規(guī)方法的基礎上,提升數(shù)值模擬的精度與分析能力,為激光熱處理技術(shù)的發(fā)展以及激光表面強化技術(shù)的推廣應用提供數(shù)據(jù)支撐。

2 激光表面強化數(shù)值模擬關鍵技術(shù)分析

在本次研究中,使用有限元模擬方法作為數(shù)值模擬方法的核心技術(shù)。由于激光熱處理為動態(tài)荷載,為提升動態(tài)荷載分析的精度,使用顯式分析方法完成模擬過程。根據(jù)連續(xù)介質(zhì)力學理論,在時間為t處的動態(tài)方程可表示為:

(1)

(2)

其中,[G]表示對角總體質(zhì)量矩陣；[H]表示總體單元阻尼矩陣；[L]表示單元應力場等效節(jié)點矢量矩陣；{P(t)}表示研究對象的整體荷載力矢量矩陣。將上述公式設定為時間域函數(shù),并使用采用中心差分法進行離散,設定離散處理步長為Δtn,則在固定時間段內(nèi)的激光束速度可表示為:

(3)

根據(jù)此公式,可將加速度表示為:

(4)

(5)

式中,Δti為激光系統(tǒng)的最小固有工作周期；χmax表示激光系統(tǒng)的最高固有頻率。

使用上述公式,完成有限元模擬過程,并將其作為本次研究中的主要計算部分。

3 體育器械用鋁合金材料的激光表面強化數(shù)值模擬方法設計

3.1 構(gòu)建體育器械用鋁合金材料物理模型

根據(jù)實際體育器械表面強化過程分析結(jié)果,構(gòu)建鋁合金材料物理模型。在實際的強化處理過程中,鋁合金材料放置在工作臺上,激光按照一定的功率與速度,按照由上至下的方向,完成激光熱處理加工[6]。根據(jù)此工作原理,可以對物理模型提出相應的假設:(1)材料具有各方向同性的特征；(2)加工過程中,激光垂直于鋁合金材料表面；(3)加工過程中,合金材料不會發(fā)生位移。根據(jù)上述假設,構(gòu)建激光強化中的合金材料物理模型。對物理模型進行分析可知,在激光表面強化的過程中會發(fā)生對流情況,將其視作施加在金屬部件表面上的面載荷,使用其可計算出流體與工件的熱交換情況。

表面強化的效果受到材料的應變能力、溫度軟化效應以及加工周期等因素的影響。因此,可以將物理模型的基礎參數(shù)計算公式表示為:

(6)

式中,?n表示金屬材料的等效塑性應變； ?表示金屬材料的塑性應變率計算結(jié)果；?0表示物理模型的參考應變率取值；Ω使用加工過程中的流動應力；C表示金屬材料屈服強度；D表示應變強化參數(shù)；S表示應變率的歷史取值結(jié)果。由于在實際的加工中,激光會使材料局部發(fā)生溫度,導致計算結(jié)果與實際情況出現(xiàn)誤差。為確定材料的導熱系數(shù)等物理參數(shù),需要在數(shù)值模擬前,對參數(shù)的取值結(jié)果進行預處理。使用有限元軟件,對物理模型進行網(wǎng)格劃分,提升數(shù)據(jù)的處理精度。根據(jù)本次研究中的核心技術(shù)計算要求,將網(wǎng)格劃分方法設定為映射網(wǎng)格的形式。使用此方法將物理模型劃分為微小單元的形式,為后續(xù)的數(shù)值模擬提供基礎。

3.2 數(shù)值模擬邊界條件設定

根據(jù)預設的物理模型可知,在實際的加工中,金屬材料會與外界環(huán)境發(fā)生熱對流,因此,將有限元模擬方法作為核心處理計算后,將加工中的熱對流作為數(shù)值模擬的邊界條件,并使用牛頓方程[7]對其展開計算:

wi=-xi(Tj-Ti)

(7)

其中,wi表示加工過程中鋁合金材料與加工環(huán)境熱交換的總能量；xi表示對流熱交換系數(shù)；Tj表示加工過程中的材料表明溫度；Ti表示加工環(huán)境溫度。

加工過程中鋁合金材料的熱輻射系數(shù),在本次模擬過程中使用下述公式表示:

wj=-ψ0ν[(Tj+)4-(Ti+)4]

(8)

其中,ψ0表示輻射系數(shù)；為計算中需要的常數(shù),取值為正數(shù)。為了使邊界條件的設定結(jié)果更加有效,需要構(gòu)建相應的激光熱源模型。以過往的研究結(jié)果作為本次熱源模型的構(gòu)建基礎,將激光光束設定為點熱源的形式,使用Rosenthal解析模型作為點熱源模型,則有:

(9)

式中,y表示加工點距離點熱源的距離；T(y)表示加工點的溫度；R表示加工過程中某一時刻激光熱源的能量輸出值；表示鋁合金材料的比熱容取值范圍；ρ表示鋁合金材料密度；鋁合金材料導熱系數(shù)為γ；t為加工過程中激光熱源的工作時長。激光作為熱源時,其能量分布呈現(xiàn)中心熱能較多,周圍熱能較少的情況。根據(jù)此原理,使用高斯模型[8-9]分析其分布密度,具體計算過程如下:

(10)

3.3 鋁合金材料激光表面強化數(shù)值模擬

使用上文中設定的邊界條件與物理模型,結(jié)合有限元模擬方法,實現(xiàn)鋁合金材料激光表面強化數(shù)值模擬分析。

在上文的研究中,根據(jù)相關要求對物理模型進行劃分,為保證數(shù)值模擬結(jié)果的合理性,將數(shù)值模擬計算步長設定如下:

(11)

式中,z表示材料的導熱系數(shù)；ι表示沿激光束方向熱能最大處的單元長度。將此公式的計算結(jié)果作為數(shù)值模擬中的計算單元劃分依據(jù),根據(jù)此結(jié)果確定數(shù)值模擬的次數(shù)。

在數(shù)值模擬中,對激光加強對鋁合金材料的熱能展開計算:

(12)

(13)

其中,J1,J2表示合金材料的聲阻抗[10]。聯(lián)立公式(12)與公式(13),繪制激光表面強化壓力示意圖,如圖1所示,并對其加以分析。

圖1 激光表面強化溫度示意圖Fig.1 Temperature diagram of laser surface strengthening

根據(jù)圖1,得到激光強化過程中合金材料的熱能分布,則有:

F=Fmax·p(t)·p(x,y)

(14)

(15)

4 仿真實驗驗證

4.1 實驗方案設計

本次研究中提出了一種新型鋁合金材料激光表面強化數(shù)值模擬方法,為驗證此方法具有常規(guī)方法不具備的優(yōu)點,構(gòu)建仿真實驗環(huán)節(jié)對其數(shù)值模擬效果展開分析。激光強化主要包括:激光表面沖擊強化、激光表面合金化、激光表面熔覆、激光表面溶凝等方法。本文主要選擇激光表面沖擊強化對體育器械用鋁合金材料進行激光表面沖擊強化數(shù)值模擬分析。本次實驗中將仿真實驗的形式,對新型數(shù)值模擬方法進行分析。結(jié)合當前體育器械用鋁合金材料的實際情況,選擇鋁合金連接部件作為數(shù)值模擬對象,主要對此器件在激光強化后硬化程度進行模擬分析。實驗對象三維圖像設定如圖2所示。

圖2 實驗對象三維圖示Fig.2 Three dimensional diagram of the experimental object

圖2為本次實驗中對象,由于此部件相對較大,所需進行強化的面積較大,激光束直徑有限,所以單激光束掃描不足以解決問題。在本次實驗中使用搭接方式完成激光強化過程。

采用上述設定內(nèi)容,對實驗部件進行激光強化。由于加工部位為圓柱體,為了激光束可以垂直進入,在實際處理的過程中,實驗部件必須呈傾斜角度放置。實驗部件與激光光束呈一定的角度,隨著激光光源的移動,光源點沿著實驗部件的寬度方向移動,并逐漸完成強化作用。其中:

(16)

式中,φ表示激光強化角度；Ds為實驗部件需加工部分直徑；Zs表示實驗部件的寬度。

本文選擇使用非常普遍的6061-T6鋁合金材料作為體育器械用鋁合金材料激光表面強化實驗對象。這種材料要符合體育器械的多磨損、抗腐蝕、結(jié)構(gòu)特定等特征,6061-T6是一種以鎂和硅為主要合金元素的鋁合金,價格低廉,且具有良好的加工性能和抗腐蝕性能,在各領域中應用非常廣泛。6061-T6鋁合金材料的化學成分和主要力學性能參數(shù)如表1和表2所示。

表1 6061-T6鋁合金化學成分數(shù)(wt %)Tab.1 Chemical comosition of 6061-T6 aluminum alloy (wt %)

表2 6061-T6鋁合金力學性能參數(shù)Tab.2 Mechanical properties of 6061-T6 aluminam alloy

上述設定完成激光強化的實際操作過程,并根據(jù)預設參數(shù)完成對此實驗部件進行數(shù)值模擬。

4.2 實驗結(jié)果分析

4.2.1 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖3為本次實驗中所得到的激光強化溫度場示意圖,經(jīng)過多次實驗發(fā)現(xiàn),激光的最高輸出溫度隨著光束的掃描路徑而移動,掃描到的位置溫度高速提

圖3 溫度場模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of temperature field

升,掃描后溫度急劇下降,與此前的文獻研究結(jié)果保持一致。當零部件過大時,此現(xiàn)象更加明顯。除加工點外,器件的其他部分并未發(fā)生溫度變化。為對此結(jié)果進行更全面的分析,將其整合為加工點處的溫度變化圖像,如圖4所示。

圖4 加工點處激光熱處理效果Fig.4 Effect of laser heat treatment at processing point

激光強化過程中,加工點周圍點的最高溫度情況,此圖像整體呈現(xiàn)有序分布,在加工點處的最高溫度相對較低,相鄰點的溫度較高,分布較為不均衡。由于強化后產(chǎn)生的硬化層厚度與溫度成正比例關系,上圖中體現(xiàn)了此比例關系的變化過程。從側(cè)面證實了此次研究中提出的數(shù)值模擬方法具有可行性與科學性。

4.2.2 激光功率對比分析

經(jīng)激光表面強化,試件表面發(fā)生了一定的塑性變形,并形成了穩(wěn)定殘余應力場。激光表面強化實驗后,為了得到表面形成的殘余應力場數(shù)值,采用X涉嫌衍射儀測量表面形成的殘余應力,結(jié)果如圖5所示。

圖5 鋁合金材料表面殘余應力數(shù)值曲線Fig.5 Numerical curve of residual stress on aluminum alloy surface

從圖中可以看出,經(jīng)過激光表面強化,試件表面形成較大的殘余應力場,在沖擊區(qū)域形成了最大數(shù)值的殘余壓應力,未沖擊區(qū)域產(chǎn)生了殘余拉應力。隨著沖擊次數(shù)的增加,表面形成的最大殘余壓應力數(shù)值也隨著增加,當次數(shù)增加到一定值后,試件表面形成的最大殘余壓應力數(shù)值不在增加趨于穩(wěn)定。從圖中分析可知,實驗所得的殘余應力值與模擬結(jié)果基本一致,這也驗證了模擬的正確性。

4.2.3 數(shù)值模擬結(jié)果與實操結(jié)果貼合度分析

上述實驗結(jié)果證實此次研究中提出數(shù)值模擬方法的可行性,為保證此方法具有實際應用價值,可為后續(xù)的體育器械開發(fā)提供幫助,在本次實驗中對數(shù)值模擬結(jié)果與實操結(jié)果貼合度進行分析。為保證實驗變量的單一性,將實驗條件設定如表3所示。

表3 激光表面強化加工條件Tab.3 Laser surface strengthening processing conditions

以上述數(shù)據(jù)作為本實驗環(huán)節(jié)的實驗樣本,并根據(jù)此數(shù)據(jù)進行實操與數(shù)值模擬,采集加工點中心的最高溫度,對此數(shù)據(jù)進行對比,確實數(shù)值模擬結(jié)果與實操結(jié)果的貼合度。具體實驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 數(shù)值模擬結(jié)果與實操結(jié)果貼合度Fig.6 Fit between numerical simulation results and practical operation results

根據(jù)上述實驗結(jié)果可以看出,在多次實驗的過程中,數(shù)值模擬結(jié)果與實操產(chǎn)生的最高溫度較為貼近且走向較為一致,可見此數(shù)值模擬方法可得到可信度較高的數(shù)值模擬結(jié)果,在日后的研究中可使用此方法設定鋁合金材料的激光表面強化參數(shù),并對強化實際加工過程進行控制。

綜合本次實驗中的全部實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),將有限元模擬方法應用到鋁合金材料的激光表面強化數(shù)值模擬過程中,可使得數(shù)值模擬結(jié)果更具可靠性,為后續(xù)的激光熱處理技術(shù)開發(fā)與推廣提供技術(shù)支持。

5 結(jié) 語

激光表面強化技術(shù)使合金材料的高性能處理成為可能,為對其加工過程進行更全面的控制,需要使用計算機技術(shù)設定加工工藝參數(shù),因此設計了對應的數(shù)值模擬方法完成此部分工作。在本次研究中,將有限元模擬方法應用于激光強化數(shù)值模擬過程中,在一定程度上提升了數(shù)值模擬方法的模擬精度,但在一些方面還存在有待完善的問題。在日后的研究中,還需要選擇更先進的技術(shù)對其進行優(yōu)化處理,以此推動激光強化技術(shù)的發(fā)展。