4Cr5MoSiV熔覆Ni60溫度場仿真分析與實驗

李春雨

（福建工程學院，機械與汽車工程學院，福建 福州 350118）

1 引言

4Cr5MoSiV1鋼具有較好抗拉性能、沖擊韌性和熱穩定性等特點，被廣泛用于熱作模具［1］。經過一定時間使用之后，模具易形成磨損失效，為延長模具的使用壽命，可以選擇對模具表面進行局部快速修復。激光熔覆是新興表面強化與修復的技術之一，利用高能束激光使金屬粉末熔化和凝固的動態熱作用過程［2］。熔覆層質量與熔池內的溫度場變化有著重大的關系，熔池內所存在的復雜的化合和物理現象都直接影響了熔池凝固冷卻后的覆層外貌、組織及其各方面性能。因此，研究4Cr5MoSiV1鋼激光熔覆溫度場及熱影響區對修復熱作模具有指導意義。

國內外學者針對激光熔覆過程熱影響區的數值模擬進行了相關研究，獲得了一定研究成果。文獻［3-4］對Q235基體熔覆Ni60激光熔覆區溫度場進行了數值分析與實驗研究；文獻［5-6］研究了45#鋼基體熔覆過程的溫度場特征；文獻［7-9］分別針對304 不銹鋼、316L基體在不同工藝參數下的熔覆區溫度場模擬分析并得到優化的工藝參數；文獻［10］模擬IN718合金基體激光熔覆CoNi-CrAlY的溫度場，同時開展對應工藝參數的激光熔覆實驗，以驗證數值模型的正確性。文獻表明：利用有限元分析方法可以有效對激光熔覆過程進行數值分析，特別是在熔覆過程中瞬態溫度場的特征，取得較多的研究成果，但針對不同激光工藝參數下4Cr5MoSiV1鋼的溫度場及熱影響區變化規律的研究相對較少。

為探索4Cr5MoSiV1鋼在不同工藝參數下的熱影響區變化規律，提高熔覆質量。在激光熱學理論基礎上，運用有限元仿真溫度場。通過仿真結果與實驗結果進行比對分析，總結出規律，為后續激光熔覆工藝的實施和研究提供理論基礎和工藝參數指導。

2 激光熔覆溫度場仿真建模

2.1 熱學理論基礎

熱傳遞存在于激光熔覆的工藝過程，機理十分復雜，是應力應變數值分析的理論基礎，且能量傳遞遵循能量守恒定律。由工程熱力學知識可知，熱傳遞有三種基本的實現方式，即熱傳導、熱對流和熱輻射。熱輻射是一種不需要介質就可以進行的熱傳遞現象，且一般能量損失是通過熱輻射進行，此處不予討論。而熱傳導是在物體無宏觀運動的情況下，微觀粒子的熱運動使溫度由高處向低處傳遞的現象，并遵循傅立葉定律，即：

式中：Q″—熱流密度（W·m-2），是衡量導熱能力的指標；k—導熱系數（W·m-1·℃-1）；“–”—熱流傳遞的方向，由高到低。

激光熔覆工藝過程是“固-液-固”的相轉變過程，因此，熱傳遞形式既有固體熱傳導，也有流態熱對流，而熱對流可用牛頓冷卻定律表示：

式中：h—對流換熱系數；TS—固體表面溫度；TB—液體溫度。在ANSYS的溫度場模擬過程中，底面和對稱面的邊界條件設定為絕熱，也就是認為該面與空氣沒有發生熱交換；其余表面均設置對流邊界條件。

對激光熔覆進行溫度場仿真，觀察溫度場對基體熱影響區的大小。由于實際工藝過程復雜，仿真模擬時需要進行簡化：（1）熔覆層模型直接建立在基體模型之上；（2）直接在熔覆層上施加能量載荷；（3）忽略氣流影響以及環境溫度取26℃。

2.2 光源模型的選取

建立符合或與實際情況較接近的同步送粉激光熔覆熱源模型是正確模擬分析溫度場的必要前提。激光源的特點是功率密度高且能量集中，以光斑中心區域能量最高、密度最大，越往外能量密度逐漸降低，局部加熱和冷卻速度較快。

激光熔覆溫度場分析主要針對基體表面熔覆層區域，激光束以光斑的形式直接打在基體材料上，能量分布呈現一個中心能量高，越往外能量越低的狀態，高斯熱源模型恰巧可以在一定程度上解釋光斑熱源密度的分布。結合激光光源特征，在ANSYS仿真過程中選擇高斯面熱源較為合適，如圖1所示。

圖1 高斯面熱源模型示意圖Fig.1 Diagram of Gaussian Surface Heat Source Model

高斯熱源的公式如下［6］：

式中：Qr—熱源密度；r—距離光斑中心點的距離；R—光斑半徑；Qm—熱流密度中的最大值。熱流密度最大值的計算公式如下［8］：

式中：η—激光吸收率；P—激光的功率。

激光熱源掃描時間設置為模型長度與熱源掃描速度的比值，步長時間影響數值分析模擬仿真的精度，所以計算的時間間隔不宜設置太長，但也不能太短。太長會因為計算量過大，導致效率極低，太短則會導致最終數據量太少而影響數值分析的精度，這里步長時間設置為0.1s。

2.3 模型及溫度場建構

由于同步送粉式激光熔覆是十分復雜多變的過程，所以在進行溫度場求解時，在ANSYS軟件中選擇分析類型（ANSYS Type）時，選擇瞬態熱分析，且采用完全法（ALL）。由于篇幅所限，溫度加載過程不再闡述。

熔覆模型，如圖2所示。模型分為兩部分，分別為A、B兩部分。A部分為基體模型，其尺寸為（30×10×5）mm；B部分為熔覆層模型，該形狀為圓柱體的四分之一，長度為30 mm，半徑為1.5 mm。

圖2 熔覆件模型Fig.2 Finite Element Model of Laser Cladding

為了保證計算精度和節約計算時間，所以在溫度梯度較大的熔覆層模型上劃分的網格大小為0.3mm3，而在基體模型上劃分的網格大小取0.5mm3。劃分網格后的模型，如圖3所示。

圖3 網格劃分Fig.3 Finite Element Meshing

3 仿真與分析

3.1 仿真環境

利用ANSYS有限元仿真平臺建立溫度場模型，工藝參數，如表1 所示。分析熔覆過程中的溫度場規律。基體為4Cr5MoSiV模具鋼，熔覆粉末為Ni60A，具體成分，如表2、表3所示。部分熱物理參數（由JMatPro仿真所得），如圖4所示。

表1 激光熔覆工藝參數Tab.1 Parameters of Laser Cladding Process

表2 4Cr5MoSiV模具鋼主要化學成分Tab.2 Main Chemical Composition of 4Cr5MoSiV

表3 粉末Ni60A要化學成份Tab.3 Main Chemical Composition of Ni60A

圖4 4Cr5MoSiV和Ni60A熱物理參數Fig.4 Thermophysical Parameters of 4Cr5MoSiV and Ni60A

3.2 激光功率對溫度及熱影響區的影響

激光功率決定了工藝過程中激光器單位時間內能量輸出的大小，對熔池區域溫度及熱影響區有著直接影響。為此，首先以激光功率為自變量進行仿真分析，仿真參數設置為：行走速度為4mm∕s，送粉量為300g∕min，激光功率P為1000W、1200W、…、2000W，經施加各功率對應的載荷并求解后，其熔覆層單點的溫度變化，如圖5所示。

圖5 激光功率對溫度場的影響Fig.5 Effect of Laser Power on Temperature Field

由圖5可以看出，激光功率越高，其溫度上升時的曲線斜率越大，說明其溫度上升越快；而溫度下降時，激光功率越大，其溫度下降曲線的斜率越小，說明其溫度下降越慢；仿真溫度場的最大值均超過4Cr5MoSiV鋼的熔點溫度（約1400℃，見圖4），說明均可以用于實施激光熔覆工藝。

熱影響區是指基體受熱過程中沒有發生“固-液”相變的區域，但其組織和性能發生了變化。由于4Cr5MoSiV鋼的熱處理溫度比較寬泛，但結合熔覆工藝特點并參考材料特性［11］，以900℃為臨界點，以當溫度小于臨界點時，對基體材料屬性影響較小。為了方便比較和觀察熱影響區，溫度場的云圖以900℃為熱影響區的分界線在圖中進行了標示，并標出熱影響區的深度，如圖6所示。可以發現：激光功率P=1000W時，熱影響區的最大深度到基體表面的距離約為2.1mm；當激光功率分別為1200W、1400W、1600W、1800W和2000W時，熱影響區最大深度分別約為2.3mm 2.5mm、3mm、3.5mm和3.8mm。由此可知，當其它工藝參數相同時，激光功率越大，其對應的熱影響區就越大。

圖6 基體模型溫度場云圖及熱影響區大小Fig.6 Cloud Diagram of Temperature Field and Size of Heat Affected Zone of Base Model

3.3 行走速度對溫度場及熱影響區的影響

行走速度決定著能量源在單位區域內能量疊加量，也是關鍵工藝參數之一。此處探討行走速度對溫度場的影響，仿真參數設計為：P=1600W，送粉量為300g∕min，行走速度分別為3mm∕s、4mm∕s和5mm∕s，其熔覆層單點對應的溫度變化和熱影響區分別，如圖7、圖8所示。可見：V=3mm∕s，其最高溫度1840℃；行走速度為V=4mm∕s，最高溫度為1826℃；行走速度V=5mm∕s，最高溫度為11794℃，行走速度越快單點的最高溫度越低。行走速度越慢其溫度上升曲線的斜率越小，溫度下降曲線的斜率也越小，表明行走速度越慢，在該點作用的時間就越長，吸收的熱量也就越高，故其最高溫度就越高。

圖7 不同行走速度下的溫度變化趨勢Fig.7 Temperature Under Different Walking Speeds

圖8 基體模型溫度場云圖及熱影響區大小Fig.8 Cloud Diagram of Temperature Field of Matrix Model and Size of Heat Affected Zone

行走速度3mm∕s時，其熱影響區深度為約為3.3mm；行走速度4mm∕s時，其熱影響區深度約為3mm；行走速度5mm∕s時，其熱影響區深度約為2.7mm。由此可見，行走速度越快，熱影響區就越小，此現象亦說明：行走速度越快，基體吸收熱量的時間就越少，基體的溫度就越低，所以熱影響區就越小。

4 實驗驗證及分析

4.1 實驗系統

為驗證仿真結果，針對仿真工藝參數開展相應的實驗，激光熔覆系統采用2000W碟片式激光器，配備同步送粉激光熔覆工藝；為觀測熔覆區溫度場的變化動態，實驗選用某型號紅外熱像儀，溫度測量范圍為（0～2000）℃。激光熔覆實驗系統，如圖9所示。

圖9 激光熔覆系統Fig.9 Laser Cladding System

熔覆實驗中，由于激光頭運動方式是在實驗前都編寫入熔覆系統中，因此在工件進行熔覆前需要進行對點定位。紅外熱像儀將熔覆的整個過程進行錄制，模式設置為單點最高溫度實時捕捉，觀測照片，如圖10所示。觀測數據可根據需求導出并進行分析。熔覆完成的部分工件如圖10中右側圖所示，行走速度4mm∕s，送粉速率300g∕min時，改變激光功率熔覆成型的工件。

圖10 熔覆過程的紅外熱像觀測Fig.10 Infrared Thermal Image Observation in the Cladding Process

4.2 實驗數據與分析

激光功率的實驗觀測，實驗工藝條件與圖5的參數相同，由于曲線較多不便于對比分析，此處僅對比分析當P=1200W、1600W和2000W仿真和實驗的結果對比分析，如圖11所示。

圖11 不同激光功率下的溫度變化曲線Fig.11 Temperature at Different Laser Powers

由圖可知，仿真與實驗觀的結果溫度場變化趨勢基本保持一致，說明仿真結果可信，但仍存在些差別，以P=2000W為例：（1）最大溫度不同：仿真最高溫度為1951.15℃，實驗觀測的最高溫度為1881.88℃；（2）溫度曲線寬度不同：觀測點超過1400℃時長仿真為Δt=4.69 s，實驗觀測時長為Δt=3.2s，功率為1200W和1600W時均呈現相同規律，說明實驗過程存在能量損失現象，分析原因主要是熱輻射而造成。同時，由于工作臺也是金屬也加快了熱量擴散；（4）仿真的溫度上升斜率比實驗曲線的斜率改變要明顯，主要原因為仿真模型代入的是理論溫度對材料密度的影響。

激光功率為1600W，如圖12所示。行走速度分別為3mm∕s、4mm∕s和5mm∕s時的實驗曲線圖，對比仿真結果圖7可知：仿真與實驗的結果基本一致，行走速度越小，其溫度上升與下降就越慢，且行走速度越小其最大溫度就越大。但是，不同的行走速度，其仿真的溫度上升與下降曲線的斜率比實驗的曲線改變要明顯，主要是因為實際實驗中材料的密度會隨著溫度的變化而變化，而仿真模型相對比較簡化，不考慮溫度對其密度的影響。

圖12 不同行走速度的溫度變化曲線Fig.12 Temperature at Different Cladding Speeds

5 總結

經過建立激光熔覆溫度場模型和光源選擇，利用ANASYS平臺對熔覆過程的在不同激光功率和行走速度下進行了仿真與實驗，通過分析得到以下結論：激光熔覆熔覆區的溫度大小與激光功率成正比，與激光束行走速度成反比；熱影響區的深度隨著激光功率的增大而加深；而在同等條件下，激光束的行走速度越小則熱影響區深度越深。