模具磨損表面激光熔覆修復層的數值模擬技術

劉立君 劉大宇 崔元彪 賈志欣 李繼強

摘要：為解決H13模具鋼磨損影響模具使用壽命的問題，利用有限元分析軟件對H13模具鋼激光熔覆Ni基涂層過程進行了仿真分析。在激光熔覆過程中，經歷了快速加熱和快速冷卻兩個熱傳導過程，其熔覆溫度最高可達1 551 ℃，考察了不同涂層厚度對溫度場的影響，得出涂層越厚，溫度越低;涂層表面的焊接殘余應力以拉應力為主，基材表面則以壓應力為主。研究了不同涂層厚度對應力場的影響，得出涂層越厚，殘余應力越大。經實驗驗證，數值模擬計算的模具磨損激光修復溫度場與實驗值接近，實驗得到的焊接熔化區截面圖與模擬結果基本一致，實際熔化區寬度1.19 mm、深度0.20 mm，模擬計算的熔化區寬度1.21 mm、深度0.21 mm，證明了模具磨損表面激光熔覆修復層模擬結果的正確性和方法的有效性。

關鍵詞：激光熔覆;有限元模擬;溫度場;應力場

中圖分類號：TG456.7 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）07-0046-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.07.07

0 前言

熱作模具鋼H13具有卓越的耐磨損、耐高溫、抗疲勞、抗熱震等性能，普遍應用于鍛造、擠壓、熱成型等行業。目前轎車框架、連接板和防撞梁等均采用高強鋼加工。H13鋼在長時間使用中，因受到冷或者熱循環以及金屬流動等因素的強烈摩擦，會產生熱疲勞裂紋和熱磨損[1]。根據使用H13模具鋼擠壓成型的統計數據，80%以上的失效是由于模具表面磨損[2]。在工廠化生產中，熱作鋼表面出現損傷斑或微裂紋時，對其進行精確修復，能夠延長熱作模具鋼的壽命，降低其制造成本[3-4]。

激光熔覆技術主要是對廢棄零件的磨損部位進行熔覆，或者是對基體進行修復，改善其性能。激光熔覆層稀釋率低，組織較好，性能較優，與基材能形成良好的冶金結合[5]。但是，激光熔覆是一個極冷、極熱的瞬態過程，必然會造成溫度場分布不均，在凝固過程中極易產生殘余應力，直接影響成形零件的靜載強度、疲勞強度等性能，嚴重時會直接引發裂紋[6]。

殘余應力模擬的根源是激光焊接的溫度場模擬，可展示焊接過程溫度模擬的狀況和演化，對于選擇合適的激光工藝參數和預測成型缺陷等方面具有重要意義。目前國內外許多科研人員對激光熔覆Ni基材料進行了仿真模擬，該項技術較為成熟[7-8]。采用數值模擬仿真進行殘余應力分析，由于溫度模塊和應力模塊相互連接，在仿真模擬中一般認定后者對前者不產生影響，因此使用熱-應力單向鏈接。針對焊接過程殘余應力的仿真，一直都有許多科研人員進行探究[9]。

使用ANSYS Workbench工作臺數值仿真系統，對H13鋼磨損表面的熔覆Ni基粉末過程進行仿真，對不同參數熔覆修復后的溫度場、殘余應力的結果進行后處理，以獲得最佳激光熔覆參數，提高激光熔覆修復的質量。

1 有限元模型的建立

1.1 熱分析

熱力學是確定物體在熱源作用下熱響應的一種方法，采用數值模擬仿真物體內部各點的溫度，推導出可用于模擬物體的溫度狀況及所需熱物性參數。根據實際情況，文中采用瞬態熱分析法，該方法是一種快速升溫或冷卻過程，這一過程中，溫度、熱力學條件等隨時間而改變。熱力學分析遵循能量守恒和熱平衡方程。瞬態熱分析的控制方程為

[C]{T}+[K]{T}={Q}（1）

式中 [C]為比熱矩陣;{T}為節點溫度對時間的導數;[K]為熱傳導矩陣;{T}為節點溫度向量;{Q}為節點熱流率向量。

1.2 熱源模型

對激光熔覆而言，熱源是實現熱熔覆的最基本條件，選擇好熱源直接影響熱—應力耦合模擬結果的準確性。

在數值模擬過程中，由于激光熱源的能量分布不均勻且呈正態分布，所以熱源中心部分密度最大，旁邊密度小，稱之為高斯熱源模型，分布函數為

qm=（2）

q=qmexp

-3（3）

式中 qm為激光加熱光斑中心的最大熱流密度;R為激光光斑半徑;r為熱源內某點距加熱光斑中心的距離;P為服役狀態下的激光功率;η為材料對激光的吸收率。

1.3 邊界條件

基體材料與熔覆層相連接，當材料產生溫差時，能量從溫度高的材料傳到溫度低的材料，稱為熱傳導。熱傳導遵循傅里葉定論：

q*=-K（4）

式中 q*為熱流密度;K為熱傳導系數;T為溫度;為溫度梯度。

在數值模擬中，邊界條件有：高斯熱源APDL、基體與空氣的邊界條件、基體與熔覆層的邊界條件。為運算方便，采用導熱系數為10 W/（m·℃），環境溫度20 ℃（不考慮熱輻射的自然對流條件），作為樣板與空氣、樣板與熔覆層的邊界條件。

2 數值模擬結果及實驗驗證

2.1 激光熔覆數值模擬

2.1.1 幾何模型建立與網格劃分

探討激光焊接熱處理模具磨損表面的激光熔覆修復，為縮短有限元軟件分析計算時間，將磨損模具簡化為50 mm×50 mm×10 mm的長方體模型，在模型中間進行焊接，如圖1所示。

模型基體材料為H13模具鋼，樣品尺寸50 mm×50 mm×10 mm，在模具上預置一層0.2 mm厚的Ni基粉末。試樣采用六面體劃分，單元采用bias type選項，單元尺寸0.5 mm，偏斜比為10，熔覆層附近網格尺寸小，遠離熔覆層的影響區網格尺寸較大，從焊縫到兩面依次擴展，滿足數值模擬的計算。網格劃分如圖2所示。

2.1.2 材料屬性和邊界條件的定義

采用H13鋼作為基體材料，采用Ni粉和SiC鈦粉以4∶1的質量比混合而成粉體作為有限元模擬材料。H13鋼和Ni基涂層的物理參數分別如表1、表2所示，其中H13模具鋼的密度7.3×103 kg/m2，泊松比為0.3;而Ni基涂層的密度為7.7×103 kg/m2，泊松比為0.27。對于熱物性參數尤其高溫下的參數不夠完整的材料，Workbench軟件會自動采用外推法和插值法來獲得材料的高溫熱物性參數進行計算。

2.2 激光熔覆溫度場數值模擬

2.2.1 激光熔覆溫度場分析

激光熔覆工藝參數為：激光電流120 A、頻率6 Hz、掃描速度60 mm/min、離焦量50 mm。在此基礎上，將熱源模型、邊界條件及材料的物理參數等施加到模型上，根據掃描速度和熔覆長度分別設定加載時間50 s、步數為50 000步加載溫度場。對三維瞬態溫度場進行數值模擬分析，在熔覆過程中，熱源沿著設定好的路徑前進，由于熱源的融化區域冷卻需要一段時間，使得其呈橢圓狀，在激光熔覆中取任意點如圖3所示。

在數值模擬仿真中熱源臨近的曲線如圖4所示。由圖4可知，激光熔覆能量集中在熱源中心區域，距熔覆處距離越大，峰值溫度越低，達到材料熔點溫度的區域范圍為1.21 mm，距熔覆熱源中心距離越大，兩個方向上的溫度差異越大，過渡區越小，因此焊接的熔合區小，熱影響區域不明顯，與理論分析較為一致，最高溫度1 551 ℃，高于H13模具鋼的熔點（1 300 ℃）和鎳基熔覆層的熔點（ 1455 ℃），形成了良好的冶金結合。

2.2.2 激光熔覆熱循環曲線

在試樣表面取A、B、C、D四個點，如圖5所示;分別觀察其溫度循環曲線，如圖6所示。可以看出，在數值模擬中，熔覆區域的溫度急速升高和急速下降，并隨遠離熔池中心而逐漸下降，達到最高熔池表面中心點溫度，熔覆層與基體之間的B點溫度也高于H13模具鋼的熔點溫度，這種方法符合激光的特點，并且可以進行傳熱。激光熔覆時激光功率較小，熔池較小，同時模具鋼傳熱快，溫度迅速下降，激光焊接熱源走過A、B、C三個點時，焊縫的最高溫度分別為1 551 ℃、1 449 ℃和1 228 ℃，溫度上升較快;在D點因為遠離激光熱源所以熱量較少，此時溫度為324.8 ℃。結果表明：在數值模擬仿真中，Ni基粉末充分熔化，H13鋼基本不熔化，這與實際焊接的溫度場相吻合。

2.2.3 涂層厚度對溫度場的影響

熔覆層厚度對熱應力的影響較大，適當的鍍層厚度可以防止裂紋的發生，因此用有限元法模擬熔覆層厚度對熱力學性能的影響非常必要。取圖5中A樣點，用Workbench模擬熔覆層在厚度分別為0.1 mm、0.2 mm和0.3 mm的情況下溫度場的變化，如圖7所示。可以看出，試樣的峰值溫度隨著熔覆層厚度的增長而升高，這是由于熔覆產生的熱量梯度增大，不易散熱，熔覆層越厚，熱量越多。為了使模具與熔覆層產生良好的冶金結合，必須將熔池溫度控制在H13鋼和Ni基涂層熔點附近。

2.3 激光熔覆應力場數值模擬

2.3.1 激光熔覆應力場分析

采用熱—應力順序的結構耦合方式，編輯試樣的彈性模量、泊松比、熱膨脹系數等參數，將分析設定調整為與溫度場相同的步長，選取底面無摩擦約束的邊界條件，然后將溫度場模擬結果輸入結構力學模塊。

采用有限元軟件對涂層與基材界面熔覆后的應力進行模擬計算，采用熱—應力耦合法進行數值模擬，結果如圖8所示。涂層的內部是拉應力，而界面和基材上的是壓應力。

模型的兩條路徑定義示意如圖9所示，AB是基材上涂層下的中心層上的路徑，CD是中心熔覆層到基材上的路徑，對熔覆層在不同方向上的應力分布規律進行研究。

在路徑AB上不同方向的應力變化曲線如圖10所示。可以看出，應力在x軸上最大，在y軸上上升最快，在z軸上基本沒有變化。在激光熔覆初期，x和y方向的應力呈直線上升趨勢，并在整個熔覆過程中一直保持在較高水平，直至接近試件邊緣時才有所下降。x和y方向的應力始終處于拉應力狀態，z方向應力呈現出極小的拉應力狀態并保持穩定。

路徑CD的應力變化曲線如圖11所示，由圖11可知，從涂層表面到基材與涂層的界面，應力值逐漸增大，并呈拉應力狀態，在距0.2 mm的界面轉化為壓應力。所以在熔覆層表面為拉應力，基材表面上為壓應力。

理論上分析認為，激光熔覆過程中熔覆區溫度速率升高、熔覆區溫度明顯高于周圍是產生熱應力的主要原因。進行激光熔覆時，熔覆區材料迅速脹大，而熔池區域周圍區域溫度較低，從而產生了熱應力。在熔覆區，由于屈服強度隨溫度升高而降低，所以當試樣溫度集中區熱量升高時，屈服強度變小，導致一些熱應力過高，在焊接區產生熱壓縮。結果表明，當熱源冷卻時，與附近區域相比，焊縫區域略有縮短，為拉應力，而周圍的是壓應力[10-11]。

2.3.2 涂層厚度對殘余應力場影響

其他條件相同時，不同涂層厚度的應力分布如圖12所示，可以看出，隨著厚度的增加，應力值大小發生變化，而應力狀態無變化。在x軸上，熔覆層厚度由0.1 mm上升到0.3 mm時，殘余應力有些許升高，但拉應力仍高于壓應力，隨著厚度的增加，試樣的熱傳遞減緩，熱能不易散發，因此殘余應力增大。

2.4 激光熔覆實驗驗證

2.4.1 激光熔覆溫度場實驗驗證

為了驗證對激光熔覆過程中激光熱源模型有限元模擬的準確性，采用多路溫度計與手持式紅外熱像儀測量實際磨損修復的試樣模具（見圖13），并與仿真計算出的熔覆模具修復溫度場進行對比。

測得實際焊接溫度場曲線后提取焊縫中的位置的溫度，如圖14所示。

模擬仿真溫度場與實驗得到的溫度場對比如圖15所示，兩者之間存在較小差別。可以看出，激光熔覆中心處的實驗值與數值模擬結果相差最大（69 ℃），其他各點的溫度偏差較小，這與多路溫度測試儀的測溫點、手持式紅外熱像儀的定位點的偏差有關，且數值模擬仿真忽略了一些環境變化，導致計算的偏差。

2.4.2 截面形貌與模擬結果對比

將模擬計算的熔化區與金相照片進行對比，如圖16所示。金相實驗得到的實際焊接熔化區熔寬和熔深分別為1.19 mm、0.20 mm;通過數值模擬仿真計算得到的熔化區熔寬和熔深分別為1.21 mm、0.21 mm，數值模擬與實際激光熔覆基本吻合，焊接熔化區截面金相大致相同。

4 結論

（1）采用ANSYS對模具磨損修復進行仿真，最高溫度可達1 551 ℃，分析了熱源附近和不同樣點的溫度曲線，并模擬了不同熔覆層厚度參數下的溫度場，得出熔覆層越厚，溫度越低。

（2）采用熱應力單項耦合，在磨損表面修復時，熔池區應力較高，x軸、y軸和z軸殘余應力分別為1 517 MPa、1 554 MPa和146 MPa，在Ni基涂層部分為拉應力，與H13鋼交界處為壓應力。并模擬了不同熔覆厚度的應力場，厚度越厚、殘余應力越高。

（3）數值模擬計算的模具磨損激光修復溫度場與實驗數據相近。實際焊接熔化區熔寬1.19 mm、熔深0.20 mm，模擬計算得到的的焊接熔化區熔寬1.21 mm、熔深0.21 mm，數值模擬與實際激光熔敷基本吻合，熔化區截面金相大致相同。

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