激光熔覆获得稳定熔池的工艺优化

牛　犇，卢继平，唐其超

(北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081)

激光熔覆获得稳定熔池的工艺优化

牛犇，卢继平，唐其超

(北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081)

摘要：建立了三维有限元模型，分析了316L不锈钢在激光熔覆过程中的温度场分布以及相变规律。结合材料性质随温度变化的特性，讨论了冷却过程中金属的相变规律。采用能量按高斯分布的移动热源，通过在激光熔覆单道熔覆层过程中不断调整激光功率以及激光束移动速度来保证熔池形状的稳定。结果显示，在给定基体温度初始值下，不同激光束移动速度下的激光功率大小与熔覆层层数都近似呈线性相关，同时模拟了熔池周围的温度分布以及冷却速率，并与试验结果进行了比较。

关键词：激光熔覆；有限元模型；温度场

激光工程化净成形技术(LENS)是快速成形制造中很有发展潜力的一项技术[1]，最早由美国圣地亚哥国家实验室发明，它将激光熔覆技术和选择性激光烧结技术相结合，LENS的主要过程为：由CAD生产零件模型，并用分层切片软件处理，激光头在计算机控制下根据各层截面的坐标数据进行移动，基体材料熔化形成熔池，涂覆材料落入熔池熔化，凝固形成合金层，最终逐层堆积成形[2]。最终成形体的微观组织以及力学性能不仅与熔池中液体的冷却速度以及固液界面的凝固速度有很大关系，而且与熔融堆积成形过程中的热循环有关；因此，要想对成形过程中的工艺进行优化，需要对熔覆层中复杂的温度场有清晰的了解。数值模拟方法可以很好地提供热力学过程中的详细信息，很多学者都建立了有限元模型来模拟LENS过程中的温度场[3-6]以及相变过程[7-9]。

激光熔覆过程中熔池的几何形貌直接决定了最终成形体的质量，通过调整工艺参数可达到控制熔池的目的。激光加工过程中工艺参数对熔池大小的影响已经被众多学者通过试验[10]和数值模拟进行了研究[11]。在激光扫描速度一定时，熔池的几何特征主要由系统热输入的分布决定，另一方面，通过LENS过程中CCD照相机的观测获得真实的熔池几何特征，作为反馈来控制熔覆过程，不断调整激光功率来保证熔池大小在预定的范围内。

应用ANSYS15.0有限元软件建立了三维有限元分析模型，模拟LENS过程中316L不锈钢的熔覆过程[12-13]。激光束模型光线呈圆锥形，移动光源能量在基体表面呈高斯分布。对于金属材料，由于热效应引起的相变通过输入相关材料在不同温度下的性质参数以及它们在不同冷却速度下转变成的金相组织来模拟。为了使熔池尺寸保持在预设值，在每层熔覆过程中都自动调整了激光功率以及激光束移动速率。熔覆过程中10层熔覆层不同位置的热循环以及熔池的冷却速率都可以由ANSYS软件计算得到。最后，根据温度场的计算结果验证了有限元模型的准确性。

1有限元模型的建立

由于所研究的成形件温度场为三维问题，为了能够准确反映激光熔覆过程中基体及熔覆层的温度场分布规律，需要划分较小的网格尺寸；但同时为了避免过多的网格造成计算时间过长，有限元网格划分时，网格在熔覆道与基体接合处划得细一些，在基体其他部位适当划得粗一些。计算中采用ANSYS软件中的Solid 70六面体八节点热单元进行网格划分，如图1所示。

图1　基体及熔覆层的温度场有限元计算模型

所选基材是45钢，尺寸为20 mm×10 mm×5 mm。熔覆材料为316L不锈钢，在基体上进行单道10层粉末的熔覆，每个熔覆道尺寸为10 mm×1 mm×0.5 mm。光源移动速度为7.6 mm/s，每层激光束都按照从左到右的顺序熔覆。

1.1热传递方程

为了计算温度场的分布，有限元模型热传递方程用下式表示：

(1)

式中，T是温度；t是时间；Pi是i组分所占的体积分数；ρ是密度；Cp是比热容；λ是热导率；Lij是从i组分变为j组分的相变潜热；Aij是单位时间内i组分变为j组分的百分比。

通过式1，在计算温度场的同时也对熔覆区域的相变做了预测。分析微观组分时考虑了铁素体、马氏体以及奥氏体。材料的密度、热导率和比热容根据温度以及相变而变化。

1.2热源能量分布

为了模拟成形过程中激光束的能量分布，采用了圆形移动光斑能量按高斯分布，能量具体分布如下所示：

(2)

式中，Qr是基体输入能量密度，单位为W/mm3；P是吸收的激光功率，单位为W；H、r和z是决定激光束形状的参数。

1.3初始条件及边界条件的确定

假定基体在熔覆前处于室温(20 ℃，没有预热)，每层熔覆过程的时间是2 s，相邻层熔覆之间的间隔时间是0.9 s。基体材料是45钢，熔覆材料是316L钢，2种钢的热物性参数见文献[14]。

边界条件的确定是获得准确温度场的前提，设定基体底部与耐火砖接触是绝热的，因此底面的边界条件为：

T(x,y,z=0)=T0t>0

(3)

其他面的边界条件考虑了对流以及辐射过程中热量的变化，如下所示：

(4)

式中，k是热导率；h是对流传热系数；Ta是环境温度；ε是物体表面的热辐射系数；σ是斯蒂芬常数(σ=5.67×10-8W/m2K4)；Te是未加工部分的温度，这里认为是室温；Qr是激光束的热输入(按式2可得)。

随着熔覆材料的输入，熔覆体的边界也在不断变化。

1.4生死单元法

由于激光源是移动的，所以采用生死单元方法实现移动热源的温度场模拟，将模型中激光束没有扫描到的单元杀死，也就是将那些单元的刚度矩阵乘以1个很小的因子，死单元的单元载荷可视为0，即没有载荷；同样，死单元的比热容、热导率、密度和其他属性值也为0。当激光束扫描到先前被杀死的单元附近位置时，这些死单元会被自动激活，并且当1个单元被重新激活时，其刚度、质量和密度等将恢复原始数值。根据熔覆过程将熔覆材料性质假定为3类：第1种材料是已经在基体上熔覆过的，这种材料被赋予316L不锈钢实际的热力学性能以及金相组织，基体材料最初是铁素体，如果熔覆过程中温度超过了奥氏体化温度就会发生奥氏体转变，已熔覆过的熔覆层以及基体在冷却过程中根据冷却速率以及温度的情况也可能发生马氏体以及铁素体转变；第2种材料是还没有熔覆部分，设定这种材料有很低的热力学属性，因此不会被加热(相当于是死单元)，也没有发生相变；第3种材料是正在熔覆的材料，其最初是死单元，但当处于激光束的照射范围内时，就会被激活，一旦温度达到奥氏体化温度，就发生奥氏体转变，并随着温度的变化发生其他金相变化(例如变为马氏体或铁素体等)。3种不同属性材料的模型如图2所示。

图2　生死单元激活示意图

2温度场计算以及分析

由于没有做相关试验，现以文献[3]所做的316L相关试验数据作为参考。试验中利用高速红外数码相机对激光熔覆过程中熔池的形状进行了观测与记录，同时利用先进的温度传感仪对过程温度进行了检测。

为了在每层熔覆过程中保持熔池大小以及温度场分布的稳定性，在每层熔覆开始前都要调整激光功率，仿真结果如图3所示。从图3可以看出，随着熔覆层的增加，激光功率不断地减小。在最初几层的熔覆过程中需要更高的激光能量来补偿由于与温度较低的基体接触时的热量散失，随着熔覆层层数的增加，已熔覆部分就形成了加工层与基体之间的传热阻碍，熔覆层的温度下降开始相对较慢，使熔覆层温度比前几层要高；因此，后续熔覆需要的激光能量也相对减少。

此外，从图3还可以看出，在最初的5层熔覆以后，激光功率与熔覆层层数之间近似呈线性相关，这说明由于基体导热对熔覆层温度的瞬态影响仅在前5层熔覆过程中比较明显。

图3　获得相同熔池形状时激光功率与熔覆层层数的关系

激光束移动到偶数层中心时熔池大小的情况如图4所示。从图4可以看出，每层熔覆层熔池大小基本一致，每层熔覆时都大约有一层半的已熔覆层融化。熔池相似的几何形状说明了每层温度场的分布也大致相同，继而最终成形时每层的金相组织以及微观结构也相似。

图4　激光束移动到不同熔覆层中心时熔池的大小及形状

熔覆过程中不同熔覆层中点处的温度变化曲线如图5a所示，曲线上的每个顶点都表示激光束到达或将要到达某层的中点位置。在第1层中点处，温度曲线的第1个峰值将近2 100℃，此后温度迅速下降，在2 s时降至大约100 ℃，这也说明熔覆层间的间隔时间足够使熔覆层冷却。在首层熔覆层的凝固过程中，由于熔池存在较大的冷却速率，合金层将主要是高强度的马氏体以及少量残余铁素体；然而，接下来每层的熔覆过程中都会对之前熔覆层再加热，使之前的马氏体组织发生回火马氏体转化。在第5层熔覆后，首层熔覆层仍会受热升至500 ℃左右。在每层熔覆后，熔覆层温度下降，然后再经过1个循环热，最终影响材料的残余应力以及力学强度。第3、第5、第10层熔覆层中点的温度循环曲线与首层类似，每层温度的极值点相差不多。从图5a还可以看出，前5层熔覆层由于后续熔覆层熔覆时再次受热，会发生回火马氏体的转变(316L钢马氏体转变温度为350 ℃)，从第6层熔覆层开始，熔覆层的温度将不会下降到马氏体转变温度以下；因此，6层以上的熔覆体不会发生回火马氏体转化，只是在熔覆后直接生成马氏体组织。由于低层熔覆层可能会发生回火马氏体转变，因此上层熔覆层的硬度比底层高很多。不同熔覆层中点处的冷却速率随时间的变化如图5b所示，波峰表示激光束经过预定位置时温度急剧升高，波谷表示激光束离开预定位置时温度急剧下降。从图5b可以看出，第1层熔覆层中点最大冷却速率约为7 500 ℃/s，此后熔覆过程中第1层中点的最大冷却速率逐渐减小，在第5层熔覆到中点时，第1层中点处仍有接近500 ℃/s的冷却速率。同样的，每层熔覆层都经历着和第1层差不多的冷却速率变化曲线，随着熔覆层的增加，每层熔覆层的最大冷却速率由于机体以及之前熔覆层的热影响而逐渐减小。

图5　1、3、5、10层熔覆层中点处的热循环曲线

不同激光束移动速度对温度曲线的影响如图6所示。令激光移动速度分别为2.5、7.62和20 mm/s，在计算中，为了保证每层熔覆层高度都是0.5 mm，设定送粉率都随着相应调整，然后用建立的模型来计算获得稳定熔池形状的激光功率的大小。图6所示曲线的走势与图3非常接近，在5层以后的熔覆过程中，激光功率与熔覆层层数呈近似的线性相关。此外，随着移动速度的增加，激光功率也相应变化。

图6　不同激光束移动速度下激光能量的分布

3结语

本文通过ANSYS有限元软件建立了激光熔覆316L的三维有限元模型，分析了316L在45钢上进行10层熔覆时的热循环曲线，得到了激光熔覆过程中温度场的分布情况，继而得出了为保持激光熔覆过程中熔池尺寸在预设的范围内时激光功率变化规律以及激光束在不同移动速度下激光功率的变化规律。由于基体的导热作用，激光功率与熔覆层层数之间呈近似的线性相关，随着熔覆层的增加，每层激光功率逐渐减小，不同激光束移动速度下激光功率随熔覆层的增加都呈类似的减小率。为使熔池大小保持在预定值，激光功率与激光束移动速度呈正相关。利用得到的这些激光功率就可以在实际激光熔覆中使熔池尺寸保持在预设的范围内，使熔池周围的温度场保持稳定，使最终成形体的微观组织均匀。

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责任编辑李思文

Optimization of the Laser Cladding Process for Stable Molten Pool Size

NIU Ben, LU Jiping, TANG Qichao

(School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Abstract:A three-dimensional finite element model was established for the analysis of temperature distribution and phase evolution of 316L stainless steel in the laser cladding process. The influence of phase transition is discussed by using temperature dependent material qualities as well as cooling transformation diagram. A moving heat source with Gaussian energy distribution is established.The laser power and laser beam movement speed are optimized during the single-channel laser cladding to ensure the steady shape of molten pool. We found that the relation between laser power and laser beam movement speed is approximate linearly related. Besides, predicted the temperature distribution and cooling rate in comparison with experiments.

Key words:laser cladding, finite element modeling, temperature field

收稿日期：2014-04-29

作者简介：牛犇(1989-) ，男，硕士研究生，主要从事3D打印等方面的研究。

中图分类号：TG 442

文献标志码：A