電磁熱止裂與激光熔覆再制造研究

高中堂，張敏華

（1.西北工業大學 凝固技術國家重點實驗室，陜西 西安 710072；2.西安航空職業技術學院，陜西 西安 710089）

電磁熱止裂與激光熔覆再制造研究

高中堂1，張敏華2

（1.西北工業大學 凝固技術國家重點實驗室，陜西 西安 710072；2.西安航空職業技術學院，陜西 西安 710089）

熱作模具鋼因承受較大的沖擊力且反復加熱和冷卻，容易產生表面裂紋。本實驗利用電磁熱效應理論，采用脈沖放電使裂紋尖端鈍化形成焊口而止裂。繼而采用激光熔覆修復方法填平裂紋，最終達到熱作模具鋼止裂并修復的目的。

機械制造；電磁止裂；激光熔覆；脈沖放電

1 引言

綠色再制造是當前工業領域實現經濟循環發展模式的重要技術途徑。而裂紋止裂與再修復是綠色再制造的重要手段之一。裂紋止裂與再修復在航空航天、船舶、核工業、供電設施、石油機械等領域具有廣泛需求。電磁熱止裂[1][2]、激光表面熔覆等技術成為當今世界新興的裂紋止裂方法。

本文另辟蹊徑，通過理論及其數值模擬對裂紋尖端放電和激光熔覆兩種情況下的溫度場、應力場進行了分析。進而得出放電止裂后進行激光修復，不僅可以防止裂紋進一步擴展，而且可以對已有裂紋進行修復。電磁熱止裂與激光熔覆技術相結合，其修復后的試件性能優于原試件，是修復金屬構件的有效手段。

2 試件脈沖放電止裂研究

放電止裂的原理是向帶有裂紋的導體中通入垂直于裂紋方向的電流，由于裂紋的存在導致了電流的集中和繞流，電能轉化成熱能，從而使材料溫度升高。這種效應會使裂紋前緣附近小范圍內組織強化加熱，足以達到使材料熔化的程度。隨著溫度的升高，裂紋前緣處的曲率半徑可以增大2～3個數量級，并且局部迸發爆炸形成焊口。從而可以減小甚至消除裂紋前緣處的機械應力集中，而且在裂紋前緣處會產生相當大的熱壓應力區。這就意味著可以利用電磁熱原理遏制裂紋擴展、抑制形成裂紋主干線的勢能源，從而達到有效遏制裂紋擴展的目的。

熱作模具鋼的試件如圖1所示。用線切割切取試樣，同時通過線切割得到預制裂紋。對帶有裂紋長度為a、厚度為2h的板條狀試件進行理論分析。

圖1 試件修復前的宏觀形貌

2.1 放電止裂裂紋尖端應力場的確定

裂紋尖端附近的應力分布表達式為[4]：

式（1）、（2）從理論上證明了電磁熱效應在裂尖處形成焊口的同時，也形成了抑制裂紋擴展的壓應力場。此應力場在防止裂紋進一步擴展中起到重要作用。

2.2 裂紋尖端應力場的數值模擬

試件如圖2所示。

45鋼常溫下的參數如下：電導率σ=0.63×107（Ω·m）－1；熱傳導系數 λ=39.4W/m·℃；表面放熱系數α0=40W/（m2·℃）；密度ρ=7.8×103kg/m3；線脹系數α=11.6×10－6℃－1；比熱 C=468.9J/kg·℃；電阻率 ρ=13.2×10－8Ω·m；彈性模量 E=2.09×1011Pa；泊松比 μ=0.26；屈服強度355MPa；切變模量G=80.8GPa；鋼的熔點1515℃。

圖2 試件圖

在放電瞬間，試件的裂紋尖端溫度急劇變化。放電過程是個復雜的瞬態過程，放電過程因高壓脈沖電流的繞流作用，在裂紋尖端處材料經歷升溫、熔化、凝固、冷卻以及熱膨脹、彈性變形、塑性變形等復雜熱力過程。所以對放電應力場的分析為簡化的多場耦合分析，即熱力學溫度場通過熱應力對熱力學應力場產生影響。因此對構件殘余應力分析前要對溫度場進行分析，圖3為裂尖周圍溫度分布等值線圖。

圖3 裂紋尖端溫度場的等值線圖

由圖可知，裂紋尖端溫度最高，裂尖周圍溫度基本成對稱分布且溫度值依次遞減。可見裂紋的存在導致通入導電材料電流繞流所產生的集中效應非常明顯，裂紋尖端溫度附近達到1720°，超過材料的熔點。模擬與實驗以及理論計算結果吻合較好。

以下應用ANSYS對應力場進行數值模擬。由于構件放電后產生的應力場為對稱分布，為便于觀察，而把構件沿裂紋方向截取一半圖形顯示應力分布圖。

由圖4可見，止裂后在裂紋前緣處同樣出現的是三向殘余壓應力場[4]。比較圖 4（a）、（b）、（c）還可知：對于空間裂紋，同樣是在垂直裂紋的x方向即裂紋容易被撕開的方向其殘余壓應力最大。金屬構件裂紋止裂后試件的抗拉強度顯著提高，甚至提高達12%以上，正是放電后裂紋尖端存在壓應力作用所致。可見，脈沖放電電磁熱止裂后不但裂紋尖端鈍化，而且在裂紋尖端處形成了三向殘余壓應力場，在這兩方面雙重作用下裂紋的抗裂性能會明顯提高。放電止裂起到了防止裂紋擴展的作用，為下一步裂紋的修復奠定了基礎。

圖4 裂紋前緣處的殘余應力分布云圖

數值模擬結果與理論分析結論完全一致，可見放電止裂對防止裂紋的進一步擴展起到了重要作用。

放電止裂后試件的宏觀形貌如圖5所示。對比圖1、5可見裂紋尖端鈍化，由圖5中光學顯微鏡下觀察可見，脈沖放電時裂紋尖端有白亮層組織產生。這是因為在放電瞬間完成了奧氏體的形成和轉變過程，使奧氏體細化而得到了隱晶馬氏體組織。而超細化的馬氏體組織使裂尖處獲得極高的強韌性，所以起到了裂紋擴展的作用。

圖5 試件放電止裂后裂尖鈍化形貌

3 放電止裂后的激光修復

放電止裂已經為激光修復創造了先決條件。目前可采用的修復技術[5]有電鍍、電弧、火焰堆焊、熱噴涂（火焰、等離子）等，幾種方法各有優缺點。電涂鍍技術存在涂層結合強度與本體結合強度不足的問題；堆焊技術和熱噴涂技術熱影響面大，易造成整個部件的變形；而激光熔覆技術能有效克服上述缺點，即不產生大的熱影響區和熱應力，也不會使其結合強度、硬度等指標受到影響，且形成的新合金表面有良好的耐磨、抗腐蝕性能以及有較高的硬度。經過對幾種修復技術最終比較，激光修復對模具鋼修復效果最好。模具鋼激光熔覆的主要目的是把裂紋進行填平進而達到修復的目的，而止裂與激光熔覆相結合的方法是模具鋼修復的新技術。

3.1 激光熔覆原理及特點

激光熔覆[6]是通過在基體材料表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之與基材表面薄層一起熔凝，使基體與熔覆層形成良好的冶金結合的方法。

激光修復相對傳統修復相比有以下優點[7]：熔覆熱影響區小，不破壞基材的力學性能；工件變形小，一般可忽略不計；層晶粒細小，結構致密，所以其硬度一般相對比較高，耐磨損、耐腐蝕等性能也比較好。

3.2 止裂后激光熔覆

考慮到裂紋細小而熔覆要求較高，修復裂紋的熔覆采用沿裂紋方向四道熔覆，送粉方式采用同軸送粉，激光熔覆工藝參數根據實際情況待定。本實驗熔覆為基體預熱到200℃時進行。利用ANSYS進行激光熔覆應力場的數值模擬。

激光熔覆也是多場耦合問題。首先確定熔覆的溫度場分布。基體上表面任一時刻激光光斑等溫線分布情況如圖6所示，x方向為激光熔覆方向，y方向為激光熔覆垂直方向，由此可以看出熱源溫度分布。

圖6 基體上表面等溫線分布圖

圖6給出了激光熔覆時的熱源分布情況，形成準穩態溫度場[8]，以熱源溫度最高，逐漸向外擴散，靠近熱源處溫度變化較大。

因熔覆時應力分布復雜，現定義沿激光熔覆方向為a方向即建模時的x方向，本文只給出沿a方向的應力分布圖。因采用四道熔覆，任意選一道熔覆中的代表性的點C為研究對象，四道熔覆中不同時間沿熔覆方向的應力分布圖如圖7所示。

圖7為C線上沿x正方向，不同時刻的應力變化圖。圖中顯示的是每道熔覆完成時的C線上σx溫度分布情況。從圖7中可以看出，第一道熔覆完成，應力由零迅速上升為較大的拉應力（約600MPa）；之后σx基本保持恒定，約600MPa；當到達熔覆末端，σx迅速轉變為壓應力。熔覆其余三道與熔覆第一道情況基本相似，只是由于漸漸遠離熔覆位置，C線上溫差變化小些，故應力最大值越來越小，直到熔覆完成時，C線上σx基本保持在400MPa左右。

圖7 C線上不同時刻應力變化圖

熔池處由于材料熔化，近似為零應力狀態。隨著熔池的移動，熔池附近為壓應力，沿激光掃描反方向逐漸過渡至已熔覆位置的拉應力。材料空冷時，殘余應力明顯增大。基體和熔覆層結合面上殘余應力最大，最容易開裂。

4 結論

（1）本文通過理論分析和數值模擬相結合，充分說明了帶有裂紋的金屬構件經脈沖放電后，裂紋尖端鈍化減少了應力集中，脈沖放電瞬間在裂紋前緣出現了強大的熱壓應力場，可阻止裂紋放電瞬間的開裂傾向。通過激光修復使試件機械性能達到原有水平。

（2）空間裂紋因激光修復后變成全埋藏裂紋，兩手段相結合的方式可以防止激光修復后的全埋藏裂紋進一步擴展。

（3）從理論角度和數值模擬證明了這種新型修復方法的可行性。放電止裂與激光修復相結合的研究在國內外剛剛起步，只要能夠把兩種手段有效地結合起來，應用前景非常廣闊。

[1] 白象忠，胡宇達.磁彈性、熱磁彈性理論及其應用[J].力學進展，1996，（3）：23-25.

[2] 白象忠，胡宇達.電磁熱效應裂紋止裂的研究[J].力學進展，2000，（4）：89-102.

[3] 胥紅敏，白象忠.單邊裂紋尖端應力場復變函數解[J].力學期刊，2002，（3）：56-60.

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[5] 鄒 輝.利用激光熔覆技術修復齒輪[J].制造工藝，2006，（6）：20-24.

[6] 邱星武，李 剛，邱 玲.激光熔覆技術發展現狀及展望[J].稀有金屬與硬質合金，2008，36（3）：54-66.

[7]沈燕娣.激光熔覆工藝基礎研究.上海海事大學碩士學位論文[M].2006：7-13.

[8] 張曉燕，許樹勤，劉應忠，張宏亮.耐腐蝕高頸法蘭胎膜鍛成形的數值模擬[J].鍛造裝備與制造技術，2009，43（2）：69-71.

Research on electromagnetic heat anti-crack and laser cladding repair

GAO Zhongtang1,ZHANG Minhua2
（1.State Key Laboratory of Solidification Processing,Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710072,Shanxi China;2.Xi'an Aeronautical Polytechnic Institute,Xi'an 710089,Shanxi China）

The hot die steel contacted is easy to produce surface cracks with higher impact and repeated heating and cooling process.By use of electromagnetic heating effect theory,the impulse discharging mode has been adopted to passivate the crack tips into welded joints to stop the cracking.Then laser cladding repair method has been taken to fill the cracking.Finally the hot die steel has been arrested and repaired.

Electromagnetic anti-crack;Laser cladding;Impulse discharging

TG113.26

B

1672－0121（2012）02－0070－03

2011－11－17

高中堂（1984－），男，碩士在讀，主攻強化與再制造技術研究