激光熔覆残余应力场的数值模拟_顾建强

第38卷，增刊红外与激光工程2009年11月Vol.38SupplementInfraredandLaserEngineeringNov.2009收稿日期：2009-09-17基金项目：浙江省自然科学基金（Y107489），浙江省重中之重开放基金（AMT200506-009）作者简介：顾建强（1984-），男，浙江人，硕士研究生，主要从事激光加工过程数值模拟研究。Email:[e-mail]导师简介：姚建华（1965-），男，浙江杭州人，教授，主要从事激光加工技术方面的研究。Email:[e-mail]激光熔覆残余应力场的数值模拟顾建强,姚建华,骆芳，胡晓冬，陈智君(浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室激光加工技术工程研究中心，浙江杭州310014)摘要：为了研究激光熔覆残余应力场的分布情况，在45钢表面采用同步送粉工艺熔覆H13粉，并对熔覆层的残余应力进行了测定。运用有限元分析技术，采用热力弱耦合的分析方法，建立了同步送粉激光熔覆残余应力场模型。试验数据与模拟结果进行了比对。结果表明，熔覆结束后熔覆层处于拉应力状态。考察了熔覆层表面垂直于激光扫描方向路径上的应力分布状态，发现其纵向应力数值大于横向应力。在熔覆层与基体的熔合线附近，出现了相对的应力集中。激光熔覆过程中产生的纵向残余拉应力是导致熔覆层开裂的主要原因，利用数值模拟技术可以预测残余应力分布。关键词：残余应力；激光熔覆；有限元中图分类号：TG456.7文献标识码：A文章编号：1007-2276(2009)增D-0462-06NumericalsimulationofresidualstressfieldinlasercladdingprocessGUJian-qiang,YAOJian-hua,LUOFang,HUXiao-dong,CHENZhi-jun(KeyLaboratoryofSpecialPurposeEquipmentandAdvancedProcessingTechnologyZhejiangUniversityofTechnology,MinistryofEducation,ResearchCenterofLaserProcessingTechnologyandEngineering,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310014,China)Abstract:Inordertostudythedistributionofresidualstressfieldinlasercladdingprocess,usingSynchronousPowderfeedingmethod,H13powderwascladdedon45steelsubstrate,andtheresidualstressofthecladdedlayerandthesubstratehadbeenmeasured.Bythefiniteelementtechniquesandthethermo-mechanicalweak-couplingmethods,theresidualstressfieldmodelofasynchronouspowderfeedinglasercladdingprocesswasestablished.Thesimulationresultswerecomparedwiththeexperimentaldata.Theresultsshowthatthecladdedlayerisinatensilestressstate,thestressdistributionalongapathperpendiculartothelaserscanningdirectionhadbeenanalyzed,ithasbeenfoundthatthelongitudinalstressvaluesaregreaterthanthehorizontalstressonthispath.Arelativestressconcentrationisappearednearthefusionlinebetweenthecladdedlayerandthesubstrate.ThelongitudinalresidualtensilestresswhichhadarisenintheLasercladdingprocessisthemainreasonforcrackingofthecladdedlayer,thedistributionofresidualstresshadbeenpredictedbyuseofnumericalsimulationtechnology.Keywords:Residualstress;Lasercladding;Finiteelementmethod增刊顾建强等：激光熔覆残余应力场的数值模拟4630引言激光熔覆是个快速熔凝过程，熔覆过程中的变形和开裂问题，一直受到人们的关注，并在一定程度上限制了激光熔覆技术在工程实际中的应用。熔覆层的内应力以及残余应力是导致激光熔覆变形和开裂的主要原因。影响激光熔覆层残余应力的因素很多，其分布状态很复杂，而残余应力的存在将对工件的力学性能和使用寿命产生很大的影响。对激光熔覆残余应力的研究可以从两方面入手：一是通过实验测试的方法（如X射线衍射法，钻孔法）研究熔覆层中残余应力的分布特点，二是利用数值计算方法计算激光熔覆过程中材料被加热熔化，随后又冷却凝固时的热弹塑性力学行为，从而进一步分析熔覆层中残余应力的产生机制。由于激光熔覆过程快速熔凝的特点，各种参量以及整个热影响区的温度场和应力应变场难以进行实时的实验测定，因此运用数值模拟方法研究激光熔覆残余应力场，既能验证试验测量的结果，又能克服试验测量方法的缺点，具有理论和实际的双重意义。文中运用有限元方法，采用ansys通用有限元分析程序，建立了激光熔覆过程三维有限元分析模型，在温度场分析的基础上，进一步得到了激光熔覆残余应力场的分布。1分析方案采用热力弱耦合方法进行激光熔覆残余应力的分析计算，即先计算温度场，再把温度场计算结果作为载荷加载到应力场模型进行分析，最后得到激光熔覆残余应力场的分布。温度场分析是残余应力场分析的基础。进行温度场分析时作如下假设以简化模型：(1)材料为各向同性；(2)忽略熔池流体的流动作用；(3)忽略材料的气化[2]。基体选择45号结构钢(AISI1045)，其化学成分见表1，熔覆层材料H13的化学成分见表2。表145号钢化学成分(wt%)Tab.1Chemicalcompositionof45steel(wt%)CMnPSFe0.43~0.50.6~0.9≤0.04≤0.05余量表2H13化学成分(wt%)Tab.2ChemicalcompositionofH13(wt%)CMnSiCr0.32~0.450.2~0.50.8~1.24.75~5.5NiMoVFe≤0.31.1~1.750.8~1.2余量1.1材料热物理性能熔覆层材料H13和基体材料45钢的热物性参数如图1和图2所示。图1H13和45钢的热传导系数Fig.1ThermalconductivityofH13and45steel图2H13和45钢的比热容Fig.2SpecificheatcapacityofH13and45steel464红外与激光工程：激光制造技术及应用第38卷熔覆层材料H13和基体材料45钢的力学性能参数如图3和图4所示。图3H13和45钢的屈服强度Fig.3YieldstrengthofH13and45steel图4H13和45钢的弹性模量Fig.4ElasticmodulusofH13and45steel1.2边界条件和初始条件温度场模型中设定模型的初始温度为20℃，模型各个表面（除对称面外）均采用表面效应单元施加对流边界条件，模型对称面设定为绝热边界条件。对流边界条件表示为：sf(TkTTnλ∂−=−∂)(1)式中：λ为热传导系数；k为随表面温度变化而变化的对流换热系数（见表3）；为表面温度；为外界环境介质温度。sTfT表3对流系数Tab.3Convectioncoefficient项目数值温度/℃2020060012002000对流系数/W*m-2*K-162060200500应力场模型中，考虑到模型的对称性，在对称面上的节点上施加垂直于对称面方向的位移约束为零。1.3模型的建立激光熔覆过程属于高度非线性问题，激光熔覆过程中产生应力和变形的根本原因在于熔覆过程中不均匀的加热和冷却，因而对激光熔覆温度场的研究是应力应变分析的前提。激光熔覆过程中不同程度上存在热传导、热对流、热辐射三种传热方式，但熔覆层与基体之间的热传递方式以热传导为主。非线性瞬态热传导微分方程表示如下：p()xyzTTTQcxxyyzztλλλ⎛⎞∂∂∂∂∂∂∂⎛⎞⎛⎞+++=⎜⎟⎜⎟⎜⎟∂∂∂∂∂∂∂⎝⎠⎝⎠⎝⎠Tρ(2)式中：T为温度；ρ为材料密度；cp为比热容；Q为内热源；,,xyzλλλ为材料沿各个方向的导热系数。在模型中考虑比热容和导热系数随温度的变化（见图1和图2），激光能量通过生热率的方式加载到模型中进行求解。当物体各部分温度发生变化时，物体将由于热变形而产生线应变a(T-T0)，其中a是材料的热膨胀系数，T是物体内任一点现时的温度值，T0是初始温度值。如果物体各部分的热变形不受任何约束时，则物体上有变形而不引起应力。但是物体由于约束或各部分温度变化不均匀，热变形不能自由进行时，则在物体中产生应力。物体由于温度的变化而引起的应力称为热应力，当物体的温度场T已经求得时，就可以进一步求出物体各部分的热应力。因此在计算得到激光熔覆温度场的基础上，把温度场计算结果作为应力场模型的载荷进行加载，即可求解得到激光熔覆应力场的分布。为减少计算时间，利用对称性，取实际工件的一半建立有限元模型，模型尺寸为50mm×30mm×6mm，熔覆层横截面设为半圆形，半径（高度）为1mm。对模型进行网格划分。为实现从温度场单元到应力场单元的顺利转换，模型采用映射网格划分。为保证计算精度，同时适当减少模型的计算时间，采用非均匀的网格划分，在熔覆层及热影响区部位进行了网格细化，生成有限元网格图如图5所示。考虑到在实际操作过程中一般采用同步送粉方式进行激光熔覆，所以热源载荷选取体积生热的方式处理激光能量的输入。这种处理方法比较符合实际工增刊顾建强等：激光熔覆残余应力场的数值模拟465况，且熔覆层上表面可设定为热对流表面。图5有限元网格图Fig.5Finiteelementmesh为实现工件表面与空气的对流换热系数随表面温度变化而变化，引入了ansys软件中的表面效应单元来实现这一功能。为实现激光熔覆过程中激光热源的移动加载，运用ansys软件的APDL语言，将空间上连续的运动转化到离散的时间域中，通过设定一定的时间步长，然后利用循环语句实现载荷的移动加载。为模拟同步送粉激光熔覆过程中粉末随激光束移动而不断添加的过程，本文通过引入单元的“生”和“死”（BirthandDeath）的特性予以解决。2分析结果和讨论图6为计算所得激光熔覆过程某一时刻的温度场，计算所用的工艺参数为：激光功率2000W，光束移动速度10mm/s，基体初始温度为30℃。熔覆过程结束后，对温度场进行冷却计算，为残余应力场的分析做准备。图6激光熔覆温度场云图Fig.6Cloudtemperaturefieldoflasercladding在得到温度场计算结果的基础上，利用ansys软件中的单元转换功能，在模型网格划分保持不变的情况下，把模型中的热传导单元转换为结构单元，并设定相应的结构边界条件，把温度场计算结果作为节点载荷加载到模型之中，由此得到激光熔覆过程应力场的有限元模型，进一步进行应力场的分析，得到了激光熔覆残余应力场的分布。在模型的上表面上定义一垂直于对称面的路径如下图，考察该路径上的应力分布情况，结果如图7所