基于Visual-Environment的高強(qiáng)鋼表面熱處理溫度場(chǎng)模擬及對(duì)硬化層深度的影響

李弘睿，王蕓鵬 ，汝連志

(1. 長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130022； 2. 激光加工吉林省高等學(xué)校工程研究中心,吉林 長(zhǎng)春 130022）

0　引言

在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，高強(qiáng)鋼材料由于其強(qiáng)度高、拉伸性能強(qiáng)等特點(diǎn)，現(xiàn)已得到了廣泛的使用[1]。隨著高強(qiáng)鋼材料使用的增多，金屬材料表面的破壞、失效現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，為了改善工件表面的性能，從而使工件得到強(qiáng)化，表面處理技術(shù)現(xiàn)如今已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)之一[2-4]。隨著大功率激光器的問世與應(yīng)用，激光表面熱處理也越來越廣泛，與傳統(tǒng)的表面熱處理試驗(yàn)相比，激光表面熱處理具有高能量密度的特點(diǎn)，使金屬表層瞬間得到加熱和冷卻，從而使晶粒產(chǎn)生細(xì)化，靈活性大，不會(huì)產(chǎn)生公害物質(zhì)[5]

對(duì)材料表面進(jìn)行優(yōu)化，會(huì)浪費(fèi)大量的試驗(yàn)時(shí)間和費(fèi)用，通過數(shù)值模擬方法可以更快的掌握溫度變化的規(guī)律、縮短試驗(yàn)周期、提高試驗(yàn)效率，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。利用數(shù)值模擬方法提高產(chǎn)品的工作效率和質(zhì)量，目前已得到廣泛應(yīng)用。韓文月等[6]采用ANSYS軟件，通過間接法先對(duì)鋼板內(nèi)部的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，利用溫度場(chǎng)的分析結(jié)果及其應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行分析，獲得了熱應(yīng)力值，降低了計(jì)算的規(guī)模，提高了計(jì)算效率。范雪燕等[7]采用ANSYS軟件對(duì)45號(hào)鋼的激光表面淬火過程中工件的瞬時(shí)溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)相結(jié)合，從而預(yù)測(cè)出硬化層深度，得到了合理的參數(shù)去進(jìn)行表面淬火加工。F. Lusquinos等[8]利用SYSWELD軟件，選用雙橢球熱源模型，對(duì)GMAW多層多道焊接進(jìn)行了模擬計(jì)算，確定了不同焊接工藝參數(shù)下熱源特征參數(shù)，得出整個(gè)焊接過程中熱源對(duì)殘余應(yīng)力和變形的影響規(guī)律。

本文基于Visual-Environment軟件平臺(tái)，采用有限元分析方法，建立了激光表面熱處理的有限元模型，對(duì)熱處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)采用激光對(duì)試件進(jìn)行了熱處理試驗(yàn)進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，對(duì)比數(shù)值計(jì)算與實(shí)際結(jié)果的差異，從而證明了該實(shí)驗(yàn)?zāi)M仿真的合理性。

1　高強(qiáng)鋼表面熱處理的建模

本文的數(shù)值模擬采用Visual-Environment軟件，以Visual-Mesh軟件進(jìn)行實(shí)體建模以及網(wǎng)格的劃分，以Visual-Weld軟件進(jìn)行前處理，運(yùn)用Visual-Weld和Visual- Viewer軟件對(duì)熱處理過程進(jìn)行模擬仿真以及結(jié)果查看，模擬流程如圖1所示。

圖1　激光熱處理模擬流程圖Fig.1 Simulation flow chart of laser heat treatment

1.1　激光表面熱處理過程溫度場(chǎng)的理論分析

激光表面熱處理是高能量的激光束快速掃描工件，在激光束在掃描移動(dòng)過程中，通過非接觸的形式對(duì)工件的表面進(jìn)行加熱，激光掃描過的材料表面溫度驟然升高，材料內(nèi)部的溫度場(chǎng)也會(huì)產(chǎn)生劇烈的變化，通過加熱和冷卻的過程使工件材料的表面發(fā)生變化，產(chǎn)生較為細(xì)小的硬化層組織，使工件表面的硬度、耐磨性、耐腐蝕性等得到提高，改善了材料的力學(xué)性能，從而實(shí)現(xiàn)工件的表面改性。激光熱處理的過程中，溫度場(chǎng)是隨著熱源的移動(dòng)瞬時(shí)變化的，這種隨著時(shí)間變化的傳熱過程稱為非穩(wěn)態(tài)傳熱，因此屬于瞬態(tài)熱的分析范疇，其控制方程表示為：

其中，ρ為材料密度，C為材料的比熱容，K為導(dǎo)熱系數(shù)，Q為內(nèi)熱源熱流密度，T為溫度，t為熱傳導(dǎo)的時(shí)間[9]。由公式可以看出，溫度升高需要的熱量應(yīng)與傳入的熱量和內(nèi)熱源內(nèi)熱流密度保持平衡。

1.2　模型的建立

用Visual-Mesh軟件建立試件模型并劃分網(wǎng)格，模擬熱處理， 試樣的尺寸與實(shí)際試樣的尺寸相同，均為30×30 mm，厚度為10 mm，激光熱源在寬度方向上掃過。網(wǎng)格劃分一般不采用均勻的網(wǎng)格，由于激光掃描區(qū)域和熱影響區(qū)的溫度梯度變化很大，所以在此處的網(wǎng)格相對(duì)較為稠密；在遠(yuǎn)離激光掃描區(qū)域和熱影響區(qū)的位置，溫度變化相對(duì)較小，所以在此處采用相對(duì)稀疏的網(wǎng)格。試樣的2D網(wǎng)格模型，如圖2所示。在進(jìn)行3D網(wǎng)格劃分并生成3D網(wǎng)格時(shí)，由建立好的2D模型沿著掃描方向拉伸成3D模型，如圖3所示。其中，在掃描方向上的網(wǎng)格尺寸設(shè)為均等[10]。

建立3D網(wǎng)格模型后，還需要設(shè)定掃描路徑，掃描路徑需有相應(yīng)的參考線，以便于模擬激光掃描時(shí)，激光處于掃描路徑和參考線圍成的平面內(nèi)。在掃描路徑的直線上設(shè)置起始單元、起始點(diǎn)及終止點(diǎn)，從而確定模擬時(shí)熱源移動(dòng)的軌跡。用三點(diǎn)固定法定義夾具作用的位置，如圖4所示。

圖2　模擬試樣的2D網(wǎng)格模型Fig.2 Model of 2D Grid for Simulating Samples

圖3　模擬試樣的3D網(wǎng)格模型Fig.3 Model of 2D Grid for Simulating Samples

圖4　模擬試樣的掃描路徑及其參考線Fig.4 Scanning paths and reference lines of simulated specimens

圖5　2D高斯熱源的模型Fig. 5 Model of Gaussian surface heat source

1.3　熱源的加載

熱源模型包括2D高斯熱源、3D高斯熱源、雙橢球熱源三種。其中2D高斯熱源是典型的面熱源，如圖5所示，采用該熱源模型進(jìn)行模擬，表現(xiàn)為熔寬較大，熔深較淺，熔池呈碟形。

模擬時(shí)熱源作用于工件表面，將能量傳給模擬的工件，在工件表面形成一個(gè)加熱斑點(diǎn)，在傳熱過程中，幾乎全部的熱能都聚集于加熱斑點(diǎn)內(nèi)，該熱源可以用高斯數(shù)學(xué)模型近似表達(dá)，其函數(shù)表達(dá)式為：

其中，qm為移動(dòng)熱源的熱源密度，表示形式為：

在式(1)中q(r)為激光距離熱源中心位置r處的熱流密度分布，其中η為材料對(duì)激光的吸收的效率，Q為激光作用在表面上的總熱量；r和r0為高斯參數(shù)，其中r是高斯面上的任意一點(diǎn)距離光斑中心的特征半徑，r0為高斯面上激光熱源的最大特征半徑。

該函數(shù)反映了加熱斑點(diǎn)上的熱流密度分布，主要特點(diǎn)表現(xiàn)為中間能量高，四周能量低，適合于激光在表面上加熱的情況[11-13]。該熱源適用于低能量焊接，表面淬火，表面熔覆等場(chǎng)合。因此本文選用2D高斯熱源來進(jìn)行加載。

利用Visual-Environment軟件中的Visual-weld軟件進(jìn)行加載并計(jì)算，主要分以下步驟：

1) 選擇適當(dāng)?shù)臒嵩矗斎霟嵩吹膮?shù)值并進(jìn)行加載；

2) 加載熱源后選擇設(shè)置好的掃描路徑，選擇掃描路徑的起始點(diǎn)、終止點(diǎn)、起始單元以及每個(gè)路徑相應(yīng)的參考線；

3) 設(shè)定各個(gè)路徑的起始及終止的時(shí)間；

4) 輸入激光熱處理的功率，速度等參數(shù)準(zhǔn)備接下來的運(yùn)算；

5) 設(shè)置熱交換面。工件在激光表面熱處理的同時(shí)會(huì)和工作環(huán)境的媒介之間產(chǎn)生一定的熱對(duì)流，需要在計(jì)算過程中計(jì)算工件在激光受熱時(shí)與流體之間的熱量交換，因此需選取適當(dāng)?shù)膶?duì)流邊界條件[14]，取對(duì)流系數(shù)為，作為面載荷加載到實(shí)體模型的表面，初始溫度設(shè)置為常規(guī)室溫20℃，材料的激光吸收率取η=0.8來進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。計(jì)算并利用Visual-Environment軟件中的Visual-Viewer軟件對(duì)求解后的后處理進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，通過實(shí)際結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行比較。

2　實(shí)驗(yàn)參數(shù)及計(jì)算

2.1　實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

本文采用實(shí)驗(yàn)設(shè)備的是由德國(guó)trumpf公司生產(chǎn)的型號(hào)為HL4006D的Nd：YAG固體激光器，在常溫環(huán)境下進(jìn)行，具體參量如下：激光波長(zhǎng)為1064 nm，激光器的額定功率為P=4 kW，光束質(zhì)量因子BBP=25 mm×mrad，光束發(fā)散角為41.67 mrad，光斑直徑約為5 mm。激光束呈高斯能量分布，經(jīng)焦距為20 mm透鏡聚焦后垂直入射到材料表面。實(shí)驗(yàn)過程中，激光器輸出的脈沖光束通過兩片全反鏡準(zhǔn)直后，通過能量衰減器、光學(xué)快門、分光鏡透鏡聚焦到靶材上。通過能量衰減器調(diào)節(jié)激光束能量，通過光學(xué)快門來控制作用到材料表面的激光脈沖個(gè)數(shù)，利用功率計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)激光能量。靶材固定在PI(Power Integrations)公司生產(chǎn)的平移臺(tái)上，通過電腦及控制器來控制平移臺(tái)的移動(dòng)。試件采用的材料為TRIP700Z高強(qiáng)鋼，表1表示為該材料隨溫度變化的屬性。

表1　高強(qiáng)鋼材料隨溫度變化屬性Tab.1 Properties of high strength steel materials with temperature

利用1.2中建立的模型，采用2D高斯熱源對(duì)尺寸為30 mm×30 mm×5 mm的高強(qiáng)鋼鋼板進(jìn)行表面熱處理過程的模擬，本實(shí)驗(yàn)結(jié)合實(shí)際對(duì)高強(qiáng)鋼焊接接頭的表面處理所獲得的宏觀形貌以及利用Visual-Environment軟件中的高斯面熱源模型，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)和邊界條件模擬整個(gè)過程溫度場(chǎng)的變化，通過實(shí)際的結(jié)果作參考，得出與實(shí)際相符合的溫度場(chǎng)。

2.2　高強(qiáng)鋼激光表面熱處理模擬的溫度場(chǎng)分析

取尺寸為30 mm×30 mm×5 mm的網(wǎng)格模型導(dǎo)入軟件中，擬用激光功率為P=1 kW，掃描速度v=20 mm/s的參量進(jìn)行激光表面熱處理的溫度場(chǎng)分析，激光掃描的起始于最終冷卻時(shí)間為600 s。模擬的溫度場(chǎng)云圖如圖6所示，分別為0.02 s、0.5 s、1 s、1.5 s不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)云圖，不同時(shí)刻的熱循環(huán)曲線如圖7所示。

圖6(a)為激光在0.02 s時(shí)的溫度場(chǎng)，此處為激光掃描的進(jìn)端，作用于工件的范圍較小，最高溫度也較低，這是由于激光進(jìn)入該區(qū)域時(shí)，試件此時(shí)也沒有來得及預(yù)熱，再加上激光速度較快，在工件上加熱的時(shí)間短，導(dǎo)致工件還沒有來得及達(dá)到最高溫度激光的光斑就已經(jīng)掃過了，因此此處最高溫度相對(duì)較低。該中心點(diǎn)的熱循環(huán)曲線如圖7(a)所示。

圖6(b)、圖6(c)為激光掃描的中間區(qū)域，此時(shí)溫度場(chǎng)趨于穩(wěn)定狀態(tài)，溫度的變化也趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)殡S著激光光斑的移動(dòng)，通過熱傳導(dǎo)的不斷影響，在激光的掃描區(qū)域?qū)ぜ财鸬搅擞辛颂崆邦A(yù)熱的作用，溫度場(chǎng)趨近于穩(wěn)定狀態(tài)。最高溫度相比于激光掃描進(jìn)端的區(qū)域也有了提高且趨于穩(wěn)定的狀態(tài)，中心點(diǎn)的熱循環(huán)曲線如圖7(b)、圖7(c)所示。

圖6(d)為激光掃描的出端，此時(shí)作用的范圍變大，溫度變化很大，使得更多區(qū)域達(dá)到了相變溫度以上，該中心點(diǎn)的熱循環(huán)曲線如圖7(d)所示。這是因?yàn)楣獍咭苿?dòng)到工件的邊緣，遇到了絕熱邊界的阻礙，使熱量無法繼續(xù)向前傳導(dǎo)，導(dǎo)致了在出端的邊界處形成了能量的迭加，最高溫度進(jìn)一步提升，掃描區(qū)的寬度和深度也在此處有了明顯的增大[15]。為了使整體掃描的區(qū)域保持平衡，可以選擇在進(jìn)端和出端時(shí)對(duì)激光掃描速度進(jìn)行微調(diào)，進(jìn)端時(shí)速度稍慢一些，使工件達(dá)到很好地預(yù)熱作用，出端時(shí)速度稍快些減少迭加的能量。

圖6　不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)云圖Fig.6 The cloud map of temperature field at different times

圖7　不同時(shí)刻光斑中心點(diǎn)的熱循環(huán)曲線Fig.7 The thermal cycle curve of the spot center point at different time

2.3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)使用YAG固體激光器對(duì)實(shí)際表面未經(jīng)處理的厚度為5 mm的高強(qiáng)鋼試件進(jìn)行表面熱處理試驗(yàn)，其中激光的離焦量為6 mm。速度一定，同為20 mm/s，激光功率參數(shù)逐漸增加，分別用800 W、1000 W、1200 W對(duì)工件進(jìn)行掃描，對(duì)比數(shù)值模擬所獲得的截面溫度場(chǎng)瞬態(tài)分布云圖與實(shí)際掃描區(qū)截面形貌如圖8所示。

圖8　不同速度、功率下的截面圖Fig.8 Section Chart at different speed and power

高強(qiáng)鋼的相變溫度為大約727度，1100度以上達(dá)到熔點(diǎn)溫度以上[16]，由上圖所致，掃描深度隨著激光功率的增大，相變區(qū)的寬度、深度也相應(yīng)增大，經(jīng)過Visual-Environment軟件模擬的結(jié)果與實(shí)際淬火區(qū)的形貌重合度較好，證明了該熱源模型的合理性。

3　結(jié)論

1) 基于Visual-Environment軟件，建立了有限元模型，對(duì)激光表面熱處理過程進(jìn)行了數(shù)值模擬溫度場(chǎng)分析，由模擬過程可知，激光進(jìn)端的溫度場(chǎng)的最高溫度相對(duì)較低，中間部分的溫度場(chǎng)較為穩(wěn)定，相變區(qū)相對(duì)均勻，出端的溫度相對(duì)較高，可以選擇在進(jìn)端和出端時(shí)對(duì)激光掃描速度進(jìn)行微調(diào)，使熱處理部分的相變區(qū)分布更均勻。

2) 通過試驗(yàn)驗(yàn)證分析發(fā)現(xiàn)：激光功率越高，相變區(qū)的深度越深，數(shù)值模擬與實(shí)際相變區(qū)重合度較高。證明了Visual-Environment軟件模擬的合理性，可以利用該軟件的模擬對(duì)實(shí)際的加工起到參考作用。

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