摘要：激光熔覆技術(shù)具有稀釋率低、熔覆組織致密、涂層與基體結(jié)合性好、適合熔覆的材料多等特點(diǎn)。然而，激光熔覆技術(shù)的工藝參數(shù)決定著熔覆層的力學(xué)性能及組織結(jié)構(gòu)，但很多工藝參數(shù)之間相互影響、相互制約，很難精確控制。激光熔覆實(shí)驗(yàn)研究周期長(zhǎng)、考慮因素單一，只能從最終結(jié)果考慮熱源參數(shù)對(duì)熔覆層的影響而無(wú)法對(duì)熔覆過(guò)程中材料的相變過(guò)程進(jìn)行定量化表征。采用數(shù)值模擬軟件可以對(duì)熔覆過(guò)程進(jìn)行仿真分析，探討熔覆過(guò)程的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律。近幾年，采用機(jī)器學(xué)習(xí)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能化手段與工藝優(yōu)化相結(jié)合來(lái)對(duì)熔覆結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)逐漸興起。歸納了目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)激光熔覆過(guò)程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等方面的數(shù)值模擬研究及所采用的有限元軟件，概括目前對(duì)于激光熔覆性能預(yù)測(cè)的研究形狀，并提出了目前存在的問(wèn)題和有待解決的問(wèn)題。（本文工作得到湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：D20221801）與汽車動(dòng)力傳動(dòng)與電子控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（湖北汽車工業(yè)學(xué)院）項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：ZDK12023B06支持）

關(guān)鍵詞：激光熔覆；數(shù)值模擬；性能預(yù)測(cè)；參數(shù)優(yōu)化

激光熔覆技術(shù)是一種先進(jìn)的金屬材料表面改性技術(shù)，通過(guò)使用高能量密度的激光束作為熱源，結(jié)合惰性氣體保護(hù)，并按照預(yù)設(shè)的掃描路徑，將激光束照射到同步送出或已經(jīng)預(yù)先涂覆在基體表面的材料上面（主要是粉末材料），實(shí)現(xiàn)熔覆材料和基體表層的快速熔化和迅速凝固，最終形成具有冶金結(jié)合特性的功能性涂層[1]。20世紀(jì)80年代以來(lái)，激光熔覆技術(shù)得到了國(guó)內(nèi)外的廣泛重視，并在眾多工業(yè)領(lǐng)域中獲得應(yīng)用，其中，許多國(guó)家已將激光熔覆技術(shù)應(yīng)用在汽車工業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中并取得重要成果，以提高汽車零件的工作性能，減少材料的使用成本。

但在實(shí)際應(yīng)用中，仍存在許多實(shí)際問(wèn)題無(wú)法解決。激光熔覆技術(shù)的工藝參數(shù)決定著熔覆層的力學(xué)性能及組織結(jié)構(gòu)，工藝參數(shù)之間相互影響、相互制約，很難精確控制[2]。在激光熔覆實(shí)驗(yàn)過(guò)程中難以實(shí)時(shí)地對(duì)熔池形狀、熔池及熔覆層溫度分布、冷卻率等進(jìn)行測(cè)量，因而常規(guī)的實(shí)驗(yàn)方法難以對(duì)激光熔覆過(guò)程中的組織轉(zhuǎn)變過(guò)程、熔覆層性能等進(jìn)行定量化表征，因此激光熔覆技術(shù)目前仍存在工藝參數(shù)選擇困難、熔覆后材料組織及性能難以預(yù)測(cè)的問(wèn)題。

目前隨著有限元軟件的快速發(fā)展，利用數(shù)值仿真技術(shù)可以準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)熔覆過(guò)程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和流場(chǎng)分布，并且有效地預(yù)測(cè)熔覆層的裂紋、氣孔、夾雜以及層間的粘結(jié)力[3]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證進(jìn)一步研究激光熔覆技術(shù)的最佳方案，優(yōu)化工藝參數(shù)，提高激光熔覆的組織與性能。此外，眾多科研人員采用數(shù)值分析及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光熔覆結(jié)果的性能預(yù)測(cè)，對(duì)探明激光熔覆過(guò)程中激光熱源各項(xiàng)參數(shù)對(duì)熔覆過(guò)程轉(zhuǎn)變及熔覆層性能的影響規(guī)律，對(duì)激光熱源參數(shù)的合理選擇，有效節(jié)省前期試驗(yàn)及參數(shù)選擇的成本，對(duì)促進(jìn)激光熔覆技術(shù)的進(jìn)步具有重要意義。

激光熔覆過(guò)程組織轉(zhuǎn)變數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

目前隨著各大有限元軟件的發(fā)展，眾多研究者采用數(shù)值模擬的方法對(duì)激光熔覆過(guò)程展開(kāi)研究，激光熔覆過(guò)程是快速熔化和快速凝固的過(guò)程，在熔化和凝固時(shí)主要有溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、流場(chǎng)等物理場(chǎng)。其中溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)是眾多研究者最重視的地方，通過(guò)對(duì)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果的分析，能夠較為準(zhǔn)確模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程具有重要的指導(dǎo)意義。通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)得到精度更好的激光熔覆各項(xiàng)參數(shù)。下面將通過(guò)不同的有限元軟件在激光熔覆上的實(shí)際應(yīng)用，分析激光熔覆數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。

1.ANSYS應(yīng)用現(xiàn)狀

ANSYS是目前應(yīng)用廣泛的有限元軟件之一。Parisa Farahmand等[4]利用ANSYS建立了一種非線性瞬態(tài)熱模型，通過(guò)改變預(yù)熱溫度預(yù)測(cè)對(duì)熔覆過(guò)程溫度場(chǎng)和組織轉(zhuǎn)變的影響。不同預(yù)熱溫度下熔池的實(shí)際熔池與模擬熔池溫度場(chǎng)的對(duì)比如圖1[5]所示，從溫度分布中提取熔池形狀和尺寸，并在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)熔覆軌跡高度、熱影響區(qū)高度及稀釋度進(jìn)行了熔池質(zhì)量分析。

ANSYS提供豐富的材料模型和熱傳導(dǎo)模型，能夠準(zhǔn)確地模擬材料的熱傳導(dǎo)行為，具有強(qiáng)大的后處理功能，支持多物理場(chǎng)的耦合分析，可以同時(shí)考慮激光熱源、熔池流動(dòng)以及固態(tài)相變等多個(gè)因素，但是ANSYS也存在一些缺點(diǎn)，復(fù)雜的用戶界面和操作流程，需要一定的培訓(xùn)才能熟練使用，對(duì)于激光熔覆過(guò)程中的液態(tài)金屬流動(dòng)，需要通過(guò)耦合其他軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.Marc應(yīng)用現(xiàn)狀

Marc在激光熔覆數(shù)值模擬具有廣泛的應(yīng)用。海淵[5]采用Marc分析激光熔覆Ni基WC涂層開(kāi)裂的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)因素，對(duì)激光熔覆涂層溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬，計(jì)算分析熔覆過(guò)程中溫度場(chǎng)的熱循環(huán)作用，以及對(duì)熔池尺寸、冷卻速度的變化規(guī)律，分析熔覆后殘余應(yīng)力分布特征，分析殘余應(yīng)力對(duì)涂層裂紋的影響，垂直掃描路徑上的應(yīng)力分布狀態(tài)如圖2[6]所示。

Marc具有專業(yè)的焊接模塊，針對(duì)焊接過(guò)程中的各種復(fù)雜現(xiàn)象進(jìn)行了專門(mén)的優(yōu)化和設(shè)計(jì)，使得焊接仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠，并且Marc提供了開(kāi)放式的用戶環(huán)境，極大的擴(kuò)展了Marc的分析能力，對(duì)于激光熔覆仿真中特定的分析和優(yōu)化需求非常有用。但是Marc相較于其他有限元軟件，建模能力較弱，增加了激光熔覆仿真過(guò)程中的建模復(fù)雜性和難度。

3.Simufact welding應(yīng)用現(xiàn)狀

Simufact welding是以MSC Marc為基礎(chǔ)研發(fā)出來(lái)的仿真模擬軟件，專門(mén)用于材料加工及熱處理工藝仿真的軟件。黃國(guó)順等[6]基于實(shí)驗(yàn)所得工藝參數(shù)，利用Simufact welding建立熱力耦合模型，通過(guò)數(shù)值模擬分析熔覆過(guò)程中的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布，分析發(fā)現(xiàn)熔池出現(xiàn)“彗尾”現(xiàn)象，激光熱源前端的溫度梯度大，熱源后端的溫度梯度小，遠(yuǎn)離涂層的基板溫度變化較小，基板上的最大殘余應(yīng)力為沿掃描方向的拉應(yīng)力，對(duì)稱分布在涂層兩側(cè)涂層與基板結(jié)合處，基板上表面垂直于掃描方向的拉應(yīng)力是引起基板變形的主要原因，模擬受拉應(yīng)力影響下的激光熔覆變形云圖如圖3[7]所示。

Simufact welding能夠準(zhǔn)確模擬激光熔覆過(guò)程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等關(guān)鍵物理場(chǎng)，從而提供可靠的仿真結(jié)果，還可以越策不同工藝參數(shù)對(duì)激光熔覆結(jié)果的影響，幫助用戶優(yōu)化工藝參數(shù)，提高熔覆質(zhì)量。但是Simufact welding的用戶界面對(duì)于某些用戶來(lái)說(shuō)不夠直觀友好，這可能會(huì)增加用戶在使用過(guò)程中的操作難度和錯(cuò)誤率。

4.ABAQUS應(yīng)用現(xiàn)狀

吳俁等[7]利用ABAQUS軟件建立復(fù)合熱源模型，對(duì)單向掃描和往復(fù)掃描兩種掃描策略下多層多道熔覆的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬，如圖4所示，模擬熔池形態(tài)與試驗(yàn)熔池形態(tài)的對(duì)比圖，左側(cè)為模擬的熔池溫度場(chǎng)，灰色部分為熔池，其與右側(cè)試驗(yàn)熔覆層的截面形狀吻合得較好，驗(yàn)證了熱源模型的可靠性。

ABAQUS允許對(duì)多個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行分析和比較，有助于分析個(gè)參數(shù)在不同條件下的影響及綜合效果，且建立的模型準(zhǔn)確率相對(duì)較高，合理可靠。

近些年來(lái)，各種有限元軟件的發(fā)展，模型不斷改進(jìn)、完善，模擬的結(jié)果越來(lái)越接近真實(shí)結(jié)果，在實(shí)際生產(chǎn)試驗(yàn)之間進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，能夠很大程度地幫助優(yōu)化工藝參數(shù)和減少前期試錯(cuò)成本，節(jié)約時(shí)間、財(cái)力和人力的投入，因此計(jì)算機(jī)模擬在激光熔覆中應(yīng)用的越來(lái)越廣泛。結(jié)合以上幾種有限元軟件在激光熔覆方面數(shù)值模擬仿真的結(jié)果來(lái)看，各軟件都對(duì)使用者設(shè)立了學(xué)習(xí)門(mén)檻，需要有一定的工程背景和相關(guān)知識(shí)，并且均存在仿真計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)的問(wèn)題。目前眾多研究者已不滿足數(shù)值模擬仿真，他們希望對(duì)熔覆結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)，幫助更好的優(yōu)化工藝參數(shù)的選擇。

激光熔覆層性能預(yù)測(cè)研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)激光熔覆技術(shù)中的熔覆層調(diào)形控性，已經(jīng)形成了較為成熟的理論方法，有部分學(xué)者提出，可以在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上通過(guò)數(shù)學(xué)方法建立工藝參數(shù)與熔覆層形貌性能之間的關(guān)系模型，對(duì)熔覆層形貌和性能進(jìn)行預(yù)測(cè)以快速確定工藝參數(shù)；在機(jī)器學(xué)習(xí)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能化手段與工藝優(yōu)化相結(jié)合上也做出了很多成功的嘗試。

回歸分析作為一種常見(jiàn)的數(shù)據(jù)處理方法，從數(shù)學(xué)理論上分析待考查因素對(duì)熔覆層性能的影響。M. Ansari 等[8]基于鎳基高溫合金上的 NiCrAlY 粉末同軸激光熔覆實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用回歸分析和經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型預(yù)測(cè)了激光熔覆主要加工參數(shù)與熔覆層幾何特征之間的關(guān)系，并通過(guò)相關(guān)系數(shù)驗(yàn)證了模型的有效性。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的多元、非線性信息并行處理能力， 在復(fù)雜非線性系統(tǒng)的工程建模中得到了廣泛應(yīng)用，尤其是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)之間的關(guān)系模型， 從而優(yōu)化工藝參數(shù)。溫海駿等[9]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法，對(duì)激光熔覆工藝參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化， BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間的對(duì)比如圖5所示，由表1可以看出，最終試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值誤差不超過(guò)3%，說(shuō)明預(yù)測(cè)模型達(dá)到了較高的網(wǎng)格識(shí)別度。

綜上所述，對(duì)于熔覆結(jié)果的預(yù)測(cè)，目前大多數(shù)研究者采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行預(yù)測(cè)，回歸分析法的誤差相對(duì)較高，適合精度要求較低的場(chǎng)合進(jìn)行預(yù)測(cè)，可以直觀地獲得各工藝參數(shù)與熔覆層之間的關(guān)系。雖然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以高精確性的進(jìn)行激光熔覆結(jié)果預(yù)測(cè)，但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于數(shù)據(jù)的需求量大，需要大量樣本參數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練，并且參數(shù)的質(zhì)量對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大影響。每種方法都存在自身的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)不同材料、不同方式的激光熔覆選擇何種方法進(jìn)行分析還需進(jìn)一步的分析。

結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前激光熔覆技術(shù)作為一種先進(jìn)的金屬材料表面改性技術(shù)，在金屬材料領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。數(shù)值模擬和性能預(yù)測(cè)均是為了探明激光熔覆過(guò)程中激光熱源參數(shù)對(duì)熔覆過(guò)程轉(zhuǎn)變及熔覆層性能的影響規(guī)律，指導(dǎo)對(duì)激光熱源參數(shù)的合理選擇和精確預(yù)測(cè)激光熔覆效果，對(duì)促進(jìn)激光熔覆技術(shù)的進(jìn)步具有重要意義，但是目前還存在以下幾點(diǎn)問(wèn)題。

1）目前的研究對(duì)于激光熔覆工藝參數(shù)的選擇和熔覆層組織轉(zhuǎn)變過(guò)程的定量化表征仍存在較大困難，在探明激光熱源參數(shù)對(duì)熔覆過(guò)程組織轉(zhuǎn)變規(guī)律的研究方面仍需要較大進(jìn)步。

2）多數(shù)激光熔覆研究采用的均是平板基體作為實(shí)驗(yàn)基板或模型，實(shí)際工業(yè)加工中出現(xiàn)的并非全是平面基板，對(duì)于非平面基體激光熔覆成形的實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

3）激光熔覆數(shù)值模擬大多針對(duì)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)仿真，針對(duì)流體仿真的較少。

4）激光熔覆過(guò)程涉及的因素眾多，模型預(yù)測(cè)的結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果還有一定的偏差，并且對(duì)于激光熔覆結(jié)果的預(yù)測(cè)多為形貌尺寸，對(duì)于力學(xué)性能的預(yù)測(cè)較少。

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