1、第 44 卷第 3 期2023 年 3 月激光杂志LASE JOUNALVol.44，No.3March，2023http /www laserjournal cn收稿日期:20220911基金项目:安徽省重点研发计划项目(No 202004a07020046)作者简介:马晓春(1984)，男，硕士，讲师，研究方向:精密制造技术、自动化测控技术。机电设备零件缺陷激光熔覆修复过程温度场模拟研究马晓春1，杨洪涛21淮南师范学院应用技术学院，安徽 淮南232052;2徽理工大学机械工程学院，安徽 淮南232001摘要:温度场是决定机电设备零件缺陷激光熔覆修复质量的重要因素，为了提升激光熔覆修复质量，
2、提出机电设备零件缺陷激光熔覆修复过程温度场模拟方法。建立机电设备零件物理模型，根据该模型分析不同路径下的激光熔覆扫描过程，确立物理模型的信息参数。对物理模型实行网格划分，获取机电设备零件缺陷在修复过程中的温度场分布特征及变化规律。根据分析结果和物理模型对不同搭接率条件下机电设备零件缺陷激光熔覆修复温度场数值进行模拟，依据模拟结果实现激光熔覆修复，以此进一步提升机电设备零件缺陷激光熔覆修复质量。关键词:机电设备零件缺陷;激光熔覆修复过程;温度场模拟;搭接率中图分类号:TN249文献标识码:Adoi:10.14016/j cnki jgzz.2023.03.257Simulation study
3、of temperature field in laser cladding repair process ofmechanical and electrical equipment parts defectsMA Xiaochun1，YANG Hongtao21ATC Of Huainan Normal University，Huainan Anhui 232052，China;2School of Mechanical Engineering，Anhui University of Science and Technogy，Huainan Anhui 232052，ChinaAbstrac
4、t:Temperature field is an important factor to determine the quality of laser cladding repair of mechanicaland electrical equipment parts In order to improve the quality of laser cladding repair，a simulation method of temper-ature field in the process of laser cladding repair of mechanical and electr
5、ical equipment parts is proposed The physi-cal model of electromechanical equipment parts is established According to the model，the laser cladding scanningprocess under different paths is analyzed，and the information parameters of the physical model are established Thephysical model is meshed to obt
6、ain the distribution characteristics and change law of temperature field during the repairof mechanical and electrical equipment parts According to the analysis results and physical model，the temperaturefield of laser cladding repair of electromechanical equipment parts under different lap rates is
7、numerically simulated，and the laser cladding repair is realized according to the simulation results，so as to further improve the quality of lasercladding repair of electromechanical equipment partsKey words:defects of electromechanical equipment parts;laser cladding repair process;temperature field
8、simula-tion;lap rate1引言在机械设备零件加工过程中12 应用最广泛的技术之一就是激光熔覆技术，即利用激光光束对机械设备零件的表面薄层及熔覆粉末展开快速熔凝操作，使机械表面形成一个以冶金为主的机械覆面。激光熔覆技术能够对机械设备零件的表面以及内部受到损害的零件实行修复。相较于其他修复技术来说，其本身具备结合强度高、热影响区小的优势。但激光熔覆过程中对温度场的要求极高，稍有不慎就会发生修复错误，导致零件出现变形等问题。因此，为了解决这种问题，需要对机电设备零件缺陷激光熔覆修复过程温度场模拟展开研究。庞铭等人3 提出 300 M 钢激光熔覆耐磨防腐自http /www laser
9、journal cn润滑涂层温度场数值模拟方法。该方法通过分析外界因素对激光熔覆过程的影响，根据热循环程序构建温度仿真模型。由于受到外界因素条件的影响，熔覆层多数为勺状熔池，随着能量以及输入温度梯度值的上升会不断增加，因此，根据随激光扫描速率的变化分析激光局部加热的影响因素，通过对激光参数的调整将熔凝区域的能量控制到最小值，达到降低温度的目的，从而实现温度场数值模拟研究。李广琪4 等人提出中空环形激光熔覆层温度场与应力场的数值模拟方法。该方法将软件与 APDL 语言相结合构建了一个以熔覆层为主的物理模型，采用生死单元法对激光的加载过程实行模拟，得到激光熔覆层温度场结果。以此为基础对其实行热力耦
10、合操作，获取熔覆层内的应力演化，对该流程进行详细分析后构建熔覆路径，获取残余应力分布结果，结合该结果实行温度场数值模拟。吴俣等人5 提出不同扫描策略下 316L/AIS1304 激光熔覆过程中温度场应力场的数值模拟方法。由于激光熔覆技术在扫描过程中有两种不同的方式，因此法采用激光熔覆技术通过两种方式对设备表面实行多道熔覆，并对这两种方式实行详细分析及有限元模拟。通过有限元软件构建热源模型，计算出设备表面在温度场及应力场的残余应力，根据计算结果实现温度场数值模拟，获取了设备在熔覆层中的应力分布规律。这三种方法均没有获取温度场的分布特征及变化规律，给数值模拟效果造成不利影响，导致三种方法存在模拟效
11、果差的问题。为了解决上述方法存在的问题，提出机电设备零件缺陷激光熔覆修复过程温度场模拟方法。2机电设备零件物理模型及网格划分2.1机电设备零件物理模型激光会通过不同的路径开展机电设备零件6 扫描。激光以长路径与短路径相结合的方式扫描时，激光束会以机电设备零件平面的长、宽方向实行光栅移动，从而获得扫描结果。而激光以螺旋式方式扫描时，激光束会通过两种方式展开扫描，分别是由外向内或由内向外两种。扫描过程中激光束会按照螺旋线的支线路径，以不同的方式直至扫描到熔覆终点为止，以此完成激光扫描。为了提升扫描对比分析效果，以外向内的螺旋激光扫描方式为例对机电设备零件实行分析7。设定螺旋激光扫描的扫描速度、搭接
12、率、熔覆面积等参数条件相同，保证扫描时间都是相同的。激光扫描路径示意图及机电设备零件物理模型的分布点示意图如图 1 所示。(a)长路径扫描(b)短路径扫描(c)螺旋扫描(d)物理模型及其关键点分布图 1扫描路径、物理模型及关键点分布示意图根据图 1 中的物理模型，选取单层多道的方式8 实行激光熔覆。为了使机电设备零件缺陷激光熔覆修复过程9 更接近于实际，因而选取一个尺寸较大的垫板作为放置基板，基板就可以以热传导原理像垫板下方导 出 热 量。设 定 熔 覆 层 的 尺 寸 为 50 mm 15 mm0.2 mm，基板尺寸为 60 mm30 mm10 mm，垫板的外形尺寸为 150 mm40 mm
13、10 mm。确立机电设备零件物理模型的激光功率为 P=1 500 W，激光熔覆扫描速度为 V=5 mm/s，送粉率为Vf=2 g/mm，搭接率为 n=0。根据设定的激光熔覆工艺参数，获取与其相对应的机电设备零件物理模型在不同扫描路径方式下的信息参数，如表 1 所示。表 1机电设备零件物理模型的信息参数长路径短路径螺旋路径第 1 圈第 2 圈第 3 圈熔覆面积50 mm15 mm光斑尺寸5 mm5 mm扫描速度5 mm/s单道距离50 mm15 mm50 mm10 mm50 mm单道时间12 s4 s12 s3 s12 s熔覆道数414111熔覆总时间70 s70 s70 s分析表 1 中的信息
14、参数可知，根据熔覆面积及光斑尺寸就能够获取激光在螺旋扫描的第三圈即可实现平面熔覆。随着圈数的不断增加，单道熔覆长度会随之减小，熔覆的时间也因此缩短。同时从表 1 可以看出，不论是哪种扫描路径方式，其最终熔覆总时间852马晓春，等:机电设备零件缺陷激光熔覆修复过程温度场模拟研究http /www laserjournal cn均相同。以上，若想更改上述信息参数，可以使用ANSYS 软件对关键的参数进行更改。2.2网格划分通过上述建立的机电设备零件物理模型及最终确立的信息参数，选取三维实体单元即 SOLID70 对物理模型实行网格划分10。分别对物理模型中的垫板、基板、熔覆板等实行网格划分，以此分
15、析各个划分区域在修复过程中的温度场分布特征及规律。以热传导原理为基础11，将垫板用作热量传播的边界条件，达到减少计算时间和增加计算精度的目的。选取粗线条的网格划分垫板，细线条划分熔覆层和基板。熔覆层划分完成后的网格尺寸为 1 mm0.5 mm0.7 mm。由于基板与熔覆层较近，所以受到熔覆层的热量影响较大，因此，基板划分后的热区域尺寸为 1 mm0.3 mm0.3 mm。除去热区域部分，基板的其余网格尺寸为 1.50 mm2.75 mm2.55 mm，最后垫板的网格尺寸为 3.5 mm3.5 mm3.5 mm。根据划分结果获取温度场分布特征。3温度场数值模型的建立及建立条件3.1数值模型为了使
16、建立的有限元数值模型具有对称性12，选取机电设备零件部分进行分析，此时的有限元基体模型尺寸为 25 mm2 mm3 mm，熔覆层有限元模型的尺寸为 30 mm2 mm0.50 mm。3.2热源模型与移动载荷激光熔覆时产生的热源多数为高斯面热源，当热源逐渐增加移动时，机电设备零件熔覆层与基体上的材料都会随着时间及空间的变化产生变化，因此，激光熔覆过程就是瞬态热传导过程。由于机电设备零件在激光熔覆需要考虑到时间域的变化分布，所以在有限元 ANSYS 内产生的激光热流密度载荷通过 APDL 语句进行记录及存储。当空间中的离散运动较长时，获取激光热流密度，以此解决了空间域中热源的分布不均匀的问题，同时完成了载荷的施加。3.3机电设备零件数值模型材料热物性参数变化设定机电设备零件材料为镍基高温合金，利用激光束13 对其实行扫描，且扫描速度为匀速。当粉末片的区域被激光束照射时，粉末片的温度就会达到一定熔点，粉末片与基材表面熔化成为冶金材质，而零件中的熔覆层热物性就会发生动态变化。因而利用有限元 ANSYS 中的语句对各个热源载荷求解后将其输入到处理器中实行属性修改，获得机电零件设备材料在熔覆期间的