激光熔覆溫度場的ANSYS模擬

一、激光熔覆數值模擬的意義和簡單歷程

激光熔覆的工藝特點是高功率激光束與金屬交互作用產生熔池，而后快速自冷凝固形成合金熔覆層。用試驗方法來測量熔池內熔體的流動和溫度是非常困難的，并且，缺少理論模型指導的大量試驗在費用上是相當昂貴的。

運用ANSYS數值模擬可在一定的模型下提供完整的流場、熱場及熱物性參量場信息，并易于進行參數控制和多因素比較，在實際應用中具有很重要的意義。

二、激光熔覆溫度場的有限元模型

模擬采用預置法，利用CO2激光器在熱作塑料模具鋼P20表面熔覆H13粉過程中的溫度場，激光掃描速率v= 0.005 m/s，激光功率P = 1.5 KW，光斑大小D = 4 mm。

1. 前處理

(1)建立模型。本文所建立的激光熔覆三維模型:B為熔覆層為30×6×1.5mm3的長方體，網格劃分采用了SOLID70六面體單元，單元體積大小為0.5mm3。A為基體，采用了SPLID90四面體熱單元網格。位于覆層旁邊的大小為:30×4×15 mm3，單元體積大小為1mm3;下面為 30×10×15 mm3 的長方體，單元體積大小為2mm3。

經過這樣的處理，大大的減少了模型單元數和節點數，從而節省了計算時間，提高了計算效率，且對計算結果的精度影響不大。

(2)定義材料屬性。在溫度場數值模擬中，必須確定下列熱物性參數:導熱系數 (W/m℃)、密度 (kg/ m3)、比熱容C (J/kg℃)、焓— Enthalpy (J/m3) 等，其一般都隨溫度的變化而變化。通過試驗和線性插值的方法可獲得高溫時的一些數據。P20的熱物理性能示于下表1。

對于覆層H13，因為厚度比較薄，只有1.5mm，故在取參數時，取它的平均值，其密度為7800Kg/m3，熱導率為39.2W/(m℃)。

(3)熱源模型及加載。采用了高斯分布熱源模型的近似處理，圓形的激光是近似為2×2mm2的正方形強積分區域;光強近似分為如圖1實體填充圖形所示:

圖中，中心光強為單位1，其他角上4個單元為0.6128，邊上8個單元為0.7828;光源每次向前移動一個單元格，如圖1中從實線輪廓到虛線輪廓的移動，以步進法移動激光來代替實際上連續移動的激光，原則上要求步長非常短，模擬采用的時間步長為0.5s。這樣的步長僅為光斑直徑的四分之一，以此來近似連續移動已經達到了足夠的精度。

(4)邊界換熱處理。被處理材料的邊界由于與外界存在溫度差而與周圍介質換熱，其中包括對流和輻射換熱。本文為了計算方便采用總的換熱系數，可表示為:

其中，Ta 周圍介質溫度，hc 對流換熱系數，hr 輻射換熱系數。

(5)表面吸收系數的影響。J.Powell認為手工預置涂層時粉末粒子間的空隙不利于傳熱，而把這種預置粉末層假定為不導熱的絕熱層，表面受激光輻照后由表面向下熔化，直到與基體材料接觸時方開始有傳熱過程，熔池前沿因熱量被傳出而重新凝固。利用混合定律得到的密度、導熱系數等，再采用麥式方程進行計算:

式中，λP—預置涂層的導熱系數;λm—單純固態金屬導熱系數;φA—氣孔占總體積比。

(6)運動激光束的處理。激光熔覆過程中激光束處于運動狀態，采用ANSYS參數化設計語言APDL編寫的宏命令實現了激光束的運動，主要是借助其在不同的時刻在不同的位置提供相應的熱源輸入。在覆層的起頭和結尾的地方均留1mm，將沿激光掃描的方向將掃描的距離30mm分成15段，將各段的中點作為熱源中心，施加均勻分布的激光熱源，每一步移動2mm。依次計算，直到全部的循環結束。

2. 后處理

由圖2可以看出，激光直接照射處的溫度最高，特別是高斯熱源中心，而且短時間內可以上升到很高的溫度，掃描過后溫度急劇降低。向前移動的過程中，熔池也隨著熱源同時移動，溫度場分布也隨著發生變化。在光斑周圍，溫度場分布趨于平衡，即進入準穩態。

以激光光斑中心位置為分界點觀察縱向熔池的云圖，可以發現，在光斑中心前，等溫線密集，溫度梯度較大，熔深較小。在激光光斑中心后，等溫線較稀疏，溫度梯度小，但熔深較大。如圖2所示的第12步時縱向的熔池云圖。

取第8步時的光斑中心單元，觀察其在熔覆過程中的溫度變化，我們可以發現，試樣在激光加工過程中，溫度急劇上升。當激光束移出該點后，溫度又迅速下降，表現為典型的急熱急冷特征，因此會產生很大的溫度梯度，導致殘余應力的產生。如圖3所示。

三、驗證性試驗研究

1.溫度測量試驗操作圖

利用紅外熱成像測溫儀對熔池溫度實施定點測量。

定點測量:將測溫儀固定于支架上，在對激光器調光的時候將探測頭對準熔覆路徑上的一點，觀察激光經過某一定點前后的溫度變化情況。

2.溫度監測系統

本文建立的熔池中某一點溫度的實時監測系統。將紅外線測溫儀固定在儀器上，使測溫儀的探測頭始終對準覆層上的某一點，測溫信號經過處理后，傳給工控機。測溫儀采用德國Optris公司的Metis MI16MB25型紅外線測溫儀器。

3.實驗測試結果

本次實驗是為了測試利用CO2激光器在熱作塑料模具鋼P20表面熔覆H13粉過程中的覆層中某一點的溫度變化。該實驗為了測試精確，減少送粉時，粉末的吸收率及對能量的影響，采用了預置粉末的方法。鋪粉長度為30mm，紅外線測溫儀的探測頭分別對準離覆層起頭15mm(對應ANSYS模擬中的第8步)，測得的溫度場變化的曲線如圖7所示。

從圖我們可以很清楚的看到，在激光沒有掃描到該點之前，由于熱傳導作用使未掃面區域預熱，該點的溫度有所上升，在激光掃描到該點之時，溫度在短時間達到最大值，達到1745℃，而激光離開該點之后，工件通過熱傳導方式散熱冷卻，此外還通過工件的表面與空氣對流和輻射進行散熱冷卻，溫度急劇的下降，充分的體現了激光快速加熱和冷卻的特點。

比較圖3與圖4，可以得出利用ANSYS模擬激光熔覆溫度場，選擇合適的激光熱源的形式，以建立接近真實狀況的溫度場模型。

(作者單位:浙江省杭州市蕭山區技工學校)