ANSYS數(shù)值模擬激光熔覆Ni/SiC工藝參數(shù)優(yōu)化

劉立君　張金婷　劉大宇　崔元彪　賈志欣　李繼強(qiáng)

摘要：針對修復(fù)模具表面失效的問題，采用數(shù)值模擬技術(shù)對激光熔覆Ni/SiC過程進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。建立了以不同激光電流、掃描速度及離焦量作為優(yōu)化工藝參數(shù)的有限元分析模型，進(jìn)行激光熔覆仿真分析，通過改變工藝參數(shù)的大小對溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行研究。結(jié)果表明：溫度和殘余應(yīng)力都隨激光電流的增大而升高，且它們都隨著掃描速度和離焦量的增大而減小。其中，激光電流、離焦量對溫度場的影響比掃描速度明顯;離焦量對應(yīng)力場的影響比激光電流和掃描速度明顯。經(jīng)應(yīng)力場實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果與應(yīng)力場模擬結(jié)果的橫向殘余應(yīng)力最高處相差76MPa，縱向殘余應(yīng)力最高處相差86MPa。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與應(yīng)力場模擬結(jié)果僅存在細(xì)微誤差，且誤差在合理范圍內(nèi)，證明了模擬結(jié)果的正確性。對激光熔覆工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的工藝參數(shù)為：激光電流120A，掃描速度為60mm/min，離焦量為50mm。

關(guān)鍵詞：激光熔覆Ni/SiC;工藝參數(shù)優(yōu)化;有限元模擬;溫度場;應(yīng)力場

DOI：10.15938/j.jhust.2022.04.011

中圖分類號： TG456.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2022）04-0081-11

ANSYS Numerical Simulation of Laser Cladding

Ni/SiC Process Parameter Optimization

LIU Li-jun ZHANG Jin-ting LIU Da-yu CUI Yuan-biao JIA Zhi-xin LI Ji-qiang

（1.School of Materials Science and Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China;

2.School of Mechanical Engineering， Harbin Institute of Technology， Harbin 150081， China;

3.Ningbo Institute of Technology， Zhejiang University， Ningbo 315100， China）

Abstract：To overcome the issue of repairing mold surface failure， the parameters of the laser cladding Ni/SiC process is optimized using numerical simulation.?The different laser currents， scanning speeds and defocusing are adjusted to optimize simulation result of laser cladding.?Meanwhile， the influence of the temperature field and stress field also is studied by changing the size of the process parameters.?The simulation results show that temperature and residual stress both increase with the increase of laser current and decrease with the increase of scanning speed and defocusing amount.?Among them， the influence of laser current and defocusing amount is more obvious than that of scanning speed on temperature field.?The influence of defocus on the stress field is more obvious than that of laser current and scanning speed.?Experimental verification shows that the maximum horizontal welding residual stress difference is 76MPa and the maximum longitudinal welding residual stress difference is 86MPa.?The experimental error within a reasonable range proves the correctness of the simulation results.?Finally， the optimized laser cladding process parameters is obtained： laser current is 120A， scanning speed is 60mm/min， and defocus is 50mm.

Keywords：laser cladding Ni/SiC; process parameter optimization; finite element simulation; temperature field; stress field

0引言

激光熔覆技術(shù)是指在高能激光束的作用下，使合金粉末熔凝在基體表面，使其與基體達(dá)到良好冶金結(jié)合的表面強(qiáng)化技術(shù)[1-5]。在不改變基體性質(zhì)的前提下，激光熔覆技術(shù)可以在廉價(jià)金屬基體表面，制備含稀有金屬的涂層，改善其表面性能，不僅可以節(jié)約稀有金屬材料，而且還可以降低加工成本。該技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益較高，在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的研究價(jià)值[6-10]。

使用ANSYS可對H13鋼表面熔覆Ni基粉末過程進(jìn)行溫度場與應(yīng)力場有限元仿真，同時(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性[11-14]。徐洋洋等[15]使用ANSYS軟件，在不同激光功率及掃描速度下建立了數(shù)值模型，進(jìn)行激光熔覆溫度場數(shù)值模擬，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后得出，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測得數(shù)據(jù)基本吻合。激光熔覆所制備涂層在后期使用中主要是殘余熱應(yīng)力導(dǎo)致裂紋萌生擴(kuò)展而引起損壞失效。產(chǎn)生殘余熱應(yīng)力的主要原因是激光能量的高集中輸入，在零件內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生殘余熱應(yīng)力;同時(shí)激光掃描處與基材存在溫差，熔池周圍形成高應(yīng)力區(qū)域?qū)е碌乃苄宰冃我矔?huì)導(dǎo)致應(yīng)力的出現(xiàn)。這些殘余應(yīng)力可降低零件壽命，使零件提前失效[16-19]。Wang等[20]創(chuàng)建了熱-應(yīng)力結(jié)構(gòu)耦合的物理場模型，并進(jìn)行了相關(guān)研究，研究結(jié)果表明熔覆層與基材界面結(jié)合處存在很大的應(yīng)力，容易發(fā)生裂紋。因此探索激光熔覆過程中應(yīng)力分布很有必要。

文中基于ANSYS數(shù)值模擬技術(shù)，在不同工藝參數(shù)下對激光熔覆Ni/SiC溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行數(shù)值模擬，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提高熔覆層修復(fù)效果。

1有限元模型的理論基礎(chǔ)

1.1有限元模型的分析假設(shè)

在ANSYS中，激光熔覆過程是一系列復(fù)雜的瞬態(tài)熱分析過程，如熔化、凝固、冷卻、熱膨脹、彈塑性變形等，屬于典型的非線性瞬態(tài)分析。將這些條件引入數(shù)值模擬中，有限元軟件將進(jìn)行大量的分析及計(jì)算。同時(shí)針對不同的問題所考慮的因素也不相同，本文著重研究激光熔覆過程中溫度場和應(yīng)力場的分布，在不給模擬結(jié)果帶來很大誤差的前提下，將對部分影響較小的因素進(jìn)行忽略，對模型做出以下假設(shè)以簡化模型的復(fù)雜程度：①Ni基粉末與基體均為各向同性，除彈性模量、線膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容外，過程中其他工藝參數(shù)均不根據(jù)溫度改變;②激光熔覆是快速升溫快速冷卻的過程，不考慮熔池的流場對溫度的影響;③冷卻過程中，只考慮試樣表面與空氣自然對流，忽略熱輻射等因素的影響;④忽略氣體物質(zhì)對入射激光的輸入影響;⑤假設(shè)試樣的初始溫度為20℃。

1.2熱傳遞條件的設(shè)置

在數(shù)值模擬仿真中，熱傳遞包含以下方式：熱傳導(dǎo)，熱對流、熱輻射。本試驗(yàn)只考慮熱傳導(dǎo)和熱對流。

1）熱傳導(dǎo)：基體材料與熔覆層相連，當(dāng)材料產(chǎn)生溫差時(shí)，能量從高溫材料向低溫材料傳遞。當(dāng)基材與周圍空氣接觸時(shí)，溫差的存在會(huì)引起熱交換。熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定論：

2）熱對流：由溫度差引起，常發(fā)生在固體表面和周圍介質(zhì)之間。熱對流通常分為自然對流和強(qiáng)制對流兩大類。僅考慮了自然對流，采用冷卻牛頓準(zhǔn)則得出熱流，通常以面邊界條件施加。

熔覆層模擬屬于瞬態(tài)傳熱，基材比熱容、熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)等根據(jù)溫度改變。Ni基涂層由球形鎳粉與SiC按2∶8比例混合制得，物性參數(shù)由Jmatpro軟件模擬得出，再通過兩種材料成分按照質(zhì)量比采用混合定律計(jì)算。表1、表2中分別列出了基材和熔覆材料的熱物性參數(shù)。并通過Jmatpro軟件模擬可知，Ni基涂層熔點(diǎn)為1 455℃;H13鋼熔點(diǎn)為1 300℃。

在t=0時(shí)刻，所有試樣的初始溫度應(yīng)相同，取20℃（室溫）。

2數(shù)值模擬結(jié)果及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析

2.1激光熔覆幾何模型

采用預(yù)置粉末法進(jìn)行數(shù)值模擬，為了縮短計(jì)算時(shí)間，將磨損模具簡化為尺寸50×50×10mm的H13模具鋼板，Ni基粉末在基體上的厚度約為0.2mm，涂層尺寸為50×50×0.2mm，熔覆層材料為Ni粉與SiC粉按4∶1的比例混合而成的粉體，有限元模型如圖1所示。其中顯示兩個(gè)實(shí)體，其上部是預(yù)置粉末層，下部是基體。

2.2物理模型的建立

在軟件中選擇分析的單元為SOLID70。SOLID70包含三維的傳熱，可以完成均勻傳熱，在保證計(jì)算精度的前提下，減少計(jì)算時(shí)間。

在數(shù)值模擬仿真中，激光熱源可近似用高斯函數(shù)來描述，因此本文選用高斯熱源模型，如圖2所示。高斯分布熱源的熱流密度見式3。熱源在模型中間進(jìn)行施加，熱源移動(dòng)軌跡如圖3所示。

2.3溫度場模擬結(jié)果

在激光電流120A、掃描速度60mm/min、離焦量50mm條件下，按圖3所示的軌跡進(jìn)行激光熔覆。在此基礎(chǔ)上，將熱源模型、邊界條件及材料的物理參數(shù)等施加到模型上，根據(jù)掃描速度和熔覆長度分別設(shè)定加載時(shí)間50s、步數(shù)為50000步加載溫度場。圖4為在模型中任取一點(diǎn)的溫度場云圖，由于熱源的熔化區(qū)冷卻需要一段時(shí)間，因此呈橢圓狀。如圖4所示，熔池內(nèi)最高溫度達(dá)到1551℃，高于H13模具鋼的熔點(diǎn)1300℃和鎳基熔覆層的熔點(diǎn)1455℃，能夠形成良好的冶金結(jié)合。

2.4不同工藝參數(shù)對溫度場的影響

選擇如圖5所示的點(diǎn)作為參考點(diǎn)，取上述A（3，0，10.2）、B（25，0，10.2）、C（47，0，10.2）、D（25，0，10）四個(gè)點(diǎn)作為參考點(diǎn)，分別研究其溫度場的變化。在這些點(diǎn)中，A和C為避免邊緣效應(yīng)，防止溫度過高或過低，因而不選擇邊上的點(diǎn)。

2.4.1不同激光電流對溫度場的影響

激光電流是激光熔覆過程中的重要參數(shù)之一，在其他參數(shù)不變的情況下，激光電流決定著基體及熔覆材料的結(jié)合狀態(tài)。主要分析激光電流對溫度場的影響，有限元分析了第一組參數(shù)，分別為100A、120A和140A的激光電流。將不同激光電流通過式3進(jìn)行計(jì)算，并分別輸入到APDL中，實(shí)現(xiàn)不同激光電流下的溫度場有限元分析。

在其他參數(shù)不改變情況下，電流升高，熱流密度上升，因而熔池溫度也升高。如圖6（a）所示，激光電流較小，會(huì)使H13鋼上的Ni基粉不能全部熔融，結(jié)合帶中心呈亮白色，逐漸向兩側(cè)減弱（如位置1、2），造成涂層粘附在基材表面，說明沒有形成良好的冶金結(jié)合;隨著激光電流的增加，合金熔化增加，但如果激光電流過大，會(huì)造成熔覆過程中產(chǎn)生飛濺，并在熔池內(nèi)產(chǎn)生氣孔等，基材的溫度也會(huì)升高，加劇基材的變形和裂紋，質(zhì)量也會(huì)降低，如圖6（c）、（d）所示。所以選取正確的激光電流至關(guān)重要。

圖7是在不同的激光電流下A、B、C、D樣點(diǎn)的溫度變化曲線。如圖7（a）、（b）、（c）所示，激光電流100 A時(shí)，點(diǎn)A、B、C的最高溫度大約為1370℃，點(diǎn)D為1205.1℃，熔池內(nèi)的各點(diǎn)溫度均沒達(dá)到Ni基涂層的熔點(diǎn)（1455℃），導(dǎo)致熔覆層沒有發(fā)生熔化。但實(shí)際應(yīng)用中，鎳基粉末涂層過?。?.2mm），在激光熔覆時(shí)由于使用的是脈沖激光，會(huì)將部分鎳基粉末打飛，而此時(shí)熔池內(nèi)的峰值溫度超過H13熔點(diǎn)（1300℃），熔化狀態(tài)的H13鋼與未熔狀態(tài)的鎳基涂層形成固液結(jié)合，無法形成良好的液態(tài)金屬冶金結(jié)合。激光電流120A時(shí)，點(diǎn)A、B、C峰值溫度平均為1550℃和D點(diǎn)峰值溫度為1368.3℃，熱源產(chǎn)生的溫度接近Ni型涂層熔點(diǎn)，而基材溫度也接近H13鋼熔點(diǎn)，因此能更好地使模具與熔覆層產(chǎn)生冶金熔合。激光電流140A時(shí)，點(diǎn)A、B、C的峰值溫度平均為1670℃和D點(diǎn)峰值溫度為1485.2℃，由于過高的溫度會(huì)造成Ni基涂層的飛濺，熔覆層的熔覆層質(zhì)量降低，造成“燒結(jié)”現(xiàn)象。溫度根據(jù)激光電流的升高而顯著上升。由于激光電流變大了，激光功率也變大了，基材吸收能量也上升了，因此溫度上升。

2.4.2不同掃描速度對溫度場的影響

為研究掃描速度對溫度的影響，在激光電流120A，離焦量50mm，涂層厚度0.2mm條件下，掃描速度分別取50mm/min，60mm/min，70mm/min。通過改變式3中的熱源中心移動(dòng)速度，并分別輸入到APDL中，實(shí)現(xiàn)不同激光掃描速度下的溫度場有限元分析。對A，B，C，D 4個(gè)樣點(diǎn)的溫度場進(jìn)行模擬分析，模擬結(jié)果如圖8所示。

由圖8可見，最高溫度隨掃描速度增大而降低。結(jié)果表明，提高掃描速度可以縮短激光與熔覆涂層的作用時(shí)間，使涂層在來不及加熱時(shí)開始冷卻，降低材料對激光的吸收，使樣品整體溫度降低。掃描速度3個(gè)數(shù)值差異較小，溫度減少也不明顯。從圖8（a）中可以看到，掃描速度50mm/min時(shí)，點(diǎn)A，B，C峰值溫度為1590℃，D點(diǎn)最高溫度為1408℃，掃描速度過慢，受熱時(shí)間變長，產(chǎn)生過燒，如圖9所示。

從圖8（b）中可以看到，掃描速度為60mm/min時(shí)，點(diǎn)A，B，C峰值溫度1550℃，D點(diǎn)峰值溫度為1368.3℃，使熔覆層成形完好，如圖10所示，熔覆層表面魚鱗紋平整，無明顯缺陷。

從圖8（c）中可以看到，掃描速度為70mm/min時(shí)，點(diǎn)A，B，C峰值溫度1455℃，D點(diǎn)峰值溫度1292.7℃，掃描速度過快，峰值溫度過低，溫度處于Ni基涂層和H13鋼熔點(diǎn)附近，涂層和基材難以充分熔化，進(jìn)而影響熔覆層冶金熔合，如圖11所示，熔覆層表面不平整，出現(xiàn)凹凸不平的波紋，成型較差。

2.4.3不同離焦量對溫度場的影響

模擬第三組，分析離焦量對溫度場的影響。激光電流為120A，掃描速度為60mm/min，涂層厚度為0.2mm，離焦量為48mm，50mm，52mm時(shí)，分析溫度場的分布情況。光斑直徑L與離焦量s的關(guān)系表示為：

L=s（D-d）/f+D（4）

式中：D為入射激光束直徑;d為透過透鏡激光束直徑;f為焦距。通過改變式3中的激光光斑半徑，分別輸入到APDL中，實(shí)現(xiàn)不同離焦量下的溫度場分析。選取點(diǎn)A，B，C，D為參考點(diǎn)，溫度曲線如圖12所示。

在激光電流和掃描速度相同的情況下，離焦量越大，能量密度越低;反之，離焦量越小，激光束密度越高，熱源呈點(diǎn)狀，此時(shí)涂層材料得到的激光能量較充分，能使熔覆材料充分熔化，使涂層與基材形成良好的冶金熔合;光斑直徑較大時(shí)，熱源呈面狀，此時(shí)涂層收到的激光能量較低，使涂層材料不能完全熔化，從而降低涂層與基材的結(jié)合能力。

2.5不同工藝參數(shù)對應(yīng)力場的影響

2.5.1不同激光電流對殘余應(yīng)力場的影響

研究不同激光電流下的殘余應(yīng)力場，根據(jù)表3的第1組數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，殘余應(yīng)力云圖如圖13所示。由圖13（a）可知在激光電流100A時(shí)，模具表面最大殘余應(yīng)力為1392.6MPa;由圖13（b）可知在激光電流120A時(shí)，模具最大殘余應(yīng)力為1517.4MPa;由圖13（c）可知在激光電流140A時(shí)，模具表面最大殘余應(yīng)力為1534MPa。因此，電流上升，殘余應(yīng)力也升高，呈現(xiàn)出壓應(yīng)力。

模型的兩條定義路徑如圖14所示，AB為基材與涂層界面之間中心層上的路徑，CD為中心熔覆層到基材上的路徑，旨對熔覆層在不同方向上的應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行研究。

根據(jù)路徑AB可以得到不同激光電流下的殘余應(yīng)力變化曲線，如圖15所示。結(jié)果表明，隨著激光電流的上升，殘余應(yīng)力略有上升，且上升速度加快。

2.5.2不同掃描速度對殘余應(yīng)力場的影響

研究不同掃描速度下的殘余應(yīng)力場，根據(jù)表3第二組方案進(jìn)行模擬，殘余應(yīng)力云圖如圖16所示。由圖16（a）可知在激光掃描速度為50mm/min時(shí)，模具表面最大殘余應(yīng)力為1531.5MPa;由圖16（b）可知在激光掃描速度為60mm/min時(shí)，模具表面最大殘余應(yīng)力為1517.4MPa;由圖16（c）可知在激光掃描速度為70mm/min時(shí)，模具表面最大殘余應(yīng)力為1437.4MPa。

根據(jù)路徑AB可以得到不同掃描速度下的殘余應(yīng)力變化曲線，如圖17所示。由圖可知，隨著掃描速度的上升，最大殘余應(yīng)力略有降低，界面結(jié)合處基本沒有變化。

2.5.3不同離焦量對殘余應(yīng)力場的影響

研究不同離焦量下的殘余應(yīng)力場，根據(jù)表3第三組方案進(jìn)行模擬，對于三種離焦量，圖18顯示了模具的殘余應(yīng)力云圖。如圖所示，離焦量增加，殘余應(yīng)力下降，仍保持原來的應(yīng)力分布。

選取路徑AB來研究不同離焦量下的殘余應(yīng)力變化曲線，如圖19。由圖可知，隨著離焦量的增大，最大殘余應(yīng)力急劇減小，未超過基材和熔覆層界面結(jié)合強(qiáng)度。

2.6激光熔覆實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析

為了驗(yàn)證對激光熔覆過程有限元模擬，驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，選取HK21A型應(yīng)力應(yīng)變測試儀對激光電流120A，掃描速度為60mm/min，離焦量為50mm熔覆后的殘余應(yīng)力進(jìn)行了盲孔法測量（如圖20），并和仿真計(jì)算出最優(yōu)工藝參數(shù)的熔覆模具修復(fù)應(yīng)力對比驗(yàn)證。

在圖21中顯示了模具磨損激光熔覆殘余應(yīng)力的測量取點(diǎn)圖。測試板上同位點(diǎn)測量6個(gè)點(diǎn)，每個(gè)間隔10mm，計(jì)算同位點(diǎn)3號點(diǎn)4個(gè)點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)作為取點(diǎn)位置5mm的焊接殘余應(yīng)力值。

對比分析了通過仿真獲得橫向和縱向殘余應(yīng)力，于圖22所示進(jìn)行了比較。

從圖22中可以看出，通過對數(shù)值模擬計(jì)算和應(yīng)力測試，獲得了激光熔覆層表面的焊接殘余應(yīng)力，通過對有限元模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際測試得到的橫向和縱向殘余應(yīng)力的趨勢一致，數(shù)值大小也有差別。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：一是通過理論和計(jì)算，忽略了一些不可控制的原因;二是采用盲孔法測量模具修整后的板材殘余應(yīng)力，在試驗(yàn)中，盲孔釋放應(yīng)力屬于局部應(yīng)力釋放，降低了測量精度;三是由于電阻應(yīng)變計(jì)的粘接作用，影響盲孔法測量精度，所以在有限元模擬計(jì)算中，盲孔釋放應(yīng)力屬于局部應(yīng)力釋放。通過比較研究表明，有限元仿真和具體實(shí)驗(yàn)基本相同，得到了有限元仿真的準(zhǔn)確性。

3結(jié)論

1）通過不同工藝參數(shù)對熔覆層溫度場的分析，得出激光電流、離焦量對熔覆件的溫度場影響比較明顯，但掃描速度變化幅度小，對溫度的影響不明顯。得到電流100A，離焦量52mm時(shí)不能產(chǎn)生冶金熔合。

2）殘余應(yīng)力隨Ni基粉末厚度的上升而升高，應(yīng)力狀態(tài)保持不變，界面呈壓應(yīng)力;激光電流和掃描速度對應(yīng)力狀態(tài)影響不大，離焦量對試樣的影響較大;離焦量升高，殘余應(yīng)力降低，熔覆層和基材的應(yīng)力狀態(tài)不變。得到較優(yōu)工藝參數(shù)為激光電流120A，掃描速度為60mm/min，離焦量為50mm。

3）用盲孔法測試了熔覆磨損表面殘余應(yīng)力，數(shù)值仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在誤差，橫向焊接殘余應(yīng)力最高處相差76MPa，縱向焊接殘余應(yīng)力最高處相差86MPa，應(yīng)力云圖大致相同，誤差在合理范圍內(nèi)，對實(shí)際激光熔覆具有指導(dǎo)意義。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：溫澤宇）