高精度激光熔覆工藝的熔池傳熱仿真

石 碧，陳雨飛，陸 偉，姜凌云

(1.蘇州紅葉醫(yī)療器械有限公司,江蘇 蘇州 215600；2.蘇州市康力骨科器械有限公司，江蘇 蘇州 215600；3.江蘇海洋大學(xué)，江蘇 連云港 222005)

0 引言

激光熔覆是個(gè)急冷急熱的過(guò)程，高精度激光熔覆的加熱和冷卻過(guò)程更快，并且同軸高精度激光熔覆不受熔覆表面結(jié)構(gòu)的限制，能在極小的曲面構(gòu)建復(fù)雜的熔覆結(jié)構(gòu)，且熔覆結(jié)構(gòu)具有可控性。因此，同軸激光熔覆在醫(yī)療植入物、精密加工、航天航空等領(lǐng)域的應(yīng)用有著諸多優(yōu)勢(shì)。高精度激光熔覆的熔池直徑僅有0.6 mm左右，在三維控制系統(tǒng)的控制下，甚至能夠用來(lái)構(gòu)建具有一定形狀的空間結(jié)構(gòu)。高精度激光熔覆的熔覆速率一般為0.01 m/s～0.05 m/s，并且熔覆環(huán)境在充滿(mǎn)保護(hù)氣(氬氣Ar)的密閉腔室內(nèi)，沒(méi)有空氣對(duì)流的影響，因此難以直接分析髖臼杯表面高精度激光熔覆的熔池傳熱狀況。

目前，許多科研工作者進(jìn)行了激光熔覆過(guò)程的仿真研究。大連交通大學(xué)的安曉龍等[1]歸納了激光打印時(shí)的熔池流動(dòng)研究進(jìn)展和各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用進(jìn)展，全面對(duì)比了多種數(shù)值模型，總結(jié)出仿真模擬是研究激光熔覆熔池傳熱情況的重要手段之一，并且數(shù)值模擬法具有一定的通用性，為以后關(guān)于激光熔覆熱力分析的研究方法提供了全面的參考。新疆大學(xué)的黃海博等[2]研究了自由曲面激光熔覆的路徑算法，并以45鋼基材做實(shí)驗(yàn)，在表面熔覆一層鐵基粉末，驗(yàn)證了算法的準(zhǔn)確性，為復(fù)曲面的激光熔覆仿真的路徑提供了理論依據(jù)。陜西理工大學(xué)的舒林森等[3]對(duì)銑刀盤(pán)吸光熔覆的修復(fù)過(guò)程進(jìn)行仿真，分析了熔覆過(guò)程的三維溫度場(chǎng)和引力場(chǎng)，根據(jù)損傷銑刀盤(pán)的受損情況建立了銑刀盤(pán)的三維修復(fù)模型進(jìn)行模擬，得到了銑刀盤(pán)激光熔覆修復(fù)過(guò)程中的修復(fù)部位最高殘余應(yīng)力，并以此預(yù)先判定了銑刀盤(pán)在修復(fù)過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂缺陷，提高了激光熔覆熱力分析的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 熔覆模型

1.1 物理模型

高精度激光熔覆示意圖如圖1所示。通過(guò)三維控制系統(tǒng)的控制，激光束和送粉裝置能夠在工作艙內(nèi)沿著任意三維路徑移動(dòng)[4-5]。高精度激光熔覆過(guò)程復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化模型便于計(jì)算，現(xiàn)提出如下假設(shè)條件：①同軸送粉送出的合金粉末預(yù)置在基材上，粉層厚度根據(jù)送粉量通過(guò)等價(jià)折算法計(jì)算[6]；②材料各向同性，密度不隨溫度變化；③忽略熔池內(nèi)流體流動(dòng)的影響[7]。在計(jì)算預(yù)制粉末的等價(jià)厚度時(shí)，根據(jù)設(shè)備設(shè)定的送粉速率推出熔覆路徑上與激光光斑直徑相同寬度的一定厚度的粉層。在仿真過(guò)程中，將粉末的厚度折算成預(yù)置TC4合金板材的等價(jià)厚度，預(yù)置TC4合金板材的厚度計(jì)算公式如下：

圖1 高精度激光熔覆示意圖

H預(yù)置=H粉末×(1-ρ).

(1)

其中：H預(yù)置為預(yù)置TC4合金板材的等價(jià)厚度；H粉末為計(jì)算出的預(yù)置粉末的等價(jià)厚度；ρ為T(mén)C4粉末的孔隙率。

1.2 熱源模型

根據(jù)能量守恒定律，當(dāng)材料各向同性時(shí)，在同一時(shí)間內(nèi)，每個(gè)單元上獲得的熱量等于從該單元流出的熱量與該單元內(nèi)的熱量增量之和。激光熱傳導(dǎo)的能量方程如下：

(2)

其中：H(T)為隨溫度變化的焓值；t為熱傳導(dǎo)時(shí)間；K(T)為根據(jù)溫度變化的導(dǎo)熱率；T為溫度；x、y、z為每個(gè)單元所在三維坐標(biāo)的3個(gè)方向[8]。

熔覆過(guò)程是一個(gè)非線(xiàn)性的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)過(guò)程，同軸激光熱源在基材的上方做三維移動(dòng)，熔覆區(qū)域處于位置和溫度同時(shí)不斷變化的過(guò)程，所以仿真模擬過(guò)程中加載的熱源需要兼顧空間和時(shí)間的分布[9-10]。常見(jiàn)熱源模型有高斯熱源模型、雙橢球熱源模型、半橢球熱源模型、三維椎體熱源模型等。為了能更準(zhǔn)確地模擬高精度激光熔覆過(guò)程中的溫度場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)中選用高斯熱源模型，在等直徑的圓范圍里溫度的高低按照高斯曲線(xiàn)分布[11-12]，計(jì)算公式如下：

(3)

其中：q(x,y)為激光熱源密度；λ為激光能量吸收率；P為激光功率；r0為激光光斑直徑；r為光斑內(nèi)計(jì)算點(diǎn)到熱源中心的距離。

2 激光單道熔覆實(shí)驗(yàn)

采用InssTek公司的MPC1800X高精度激光熔覆設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，設(shè)備采用YLR-300光纖激光器。采用上海中恒4XC顯微鏡對(duì)熔覆路徑進(jìn)行觀察。熔覆粉末和基材均為T(mén)C4鈦合金材料，其中TC4粉末的粒度為150目。激光熔覆相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 高精度激光熔覆相關(guān)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2(a)所示，熔覆層的寬度為0.6 mm，高度為0.7 mm，熔覆層截面為半橢圓形。熔覆層的高度大于熔覆層寬度是因?yàn)門(mén)C4合金粉末從高處噴向熔池，導(dǎo)致部分粉末在到達(dá)基材前被加熱融化。熔覆路徑不連續(xù)，并且出現(xiàn)斷層也是同軸送粉導(dǎo)致粉末不能均勻地鋪在基材上。選取一處帶有90°拐角路徑的熔覆層將熔覆層剝落，并用顯微鏡放大50倍觀察熔覆路徑，觀察結(jié)果如圖2(b)所示。圖2(b)中白色偏亮部分為熔覆路徑，路徑中的黑色部分為未去除的且與基材冶金結(jié)合的熔覆層。綜上實(shí)驗(yàn)結(jié)果觀察得到：在一定激光參數(shù)下，高精度激光熔覆的熔池直徑大于激光的光斑直徑，并且熔池厚度超過(guò)了熔池直徑。

圖2 單道高精度激光熔覆實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 熔覆過(guò)程仿真

運(yùn)用ANSYS的參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言進(jìn)行單道激光熔覆過(guò)程的仿真，以探究高精度激光熔覆在一定參數(shù)下的溫度場(chǎng)。采用Solid70三維8節(jié)點(diǎn)熱分析單元進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有溫度自由度和位移自由度。采用生死單元技術(shù)模擬熔池移動(dòng)的過(guò)程，已經(jīng)被殺死的單元隨著熔池的移動(dòng)被激活，并被仿真計(jì)算。

利用上述模型，在軟件上進(jìn)行激光單道熔覆仿真，得到不同時(shí)刻的熔池溫度場(chǎng)分布及不同方向的溫度梯度分布結(jié)果。

圖3為激光束移動(dòng)不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布云圖。由圖3可知，不同顏色顯示的溫度梯度組成的圖案呈現(xiàn)彗星狀，且彗星移動(dòng)方向和激光移動(dòng)方向一致；在激光照射中心的左側(cè)等溫線(xiàn)分布稀疏，在激光照射中心的右側(cè)未加熱處等溫線(xiàn)分布密集，呈現(xiàn)熱積累現(xiàn)象。由圖3(a)看出，在激光照射0.03 s后，光斑中心的溫度達(dá)到了1 830 ℃，超過(guò)了熔覆材料TC4的熔點(diǎn)(1 668 ℃)，中心溫度達(dá)到熔點(diǎn)的區(qū)域呈圓形，直徑為0.2 mm。由圖3(b)看出，在激光照射0.045 s時(shí)，光斑中心溫度達(dá)到2 125 ℃，且溫度達(dá)到熔點(diǎn)的圓形區(qū)域直徑為0.42 mm。由圖3(c)和圖3(d)可以看出，在激光照射0.06 s后中心溫度已經(jīng)達(dá)到2 358 ℃，在激光照射0.135 s后中心溫度達(dá)到2 581 ℃，且溫度達(dá)到熔點(diǎn)的圓形區(qū)域直徑為0.55 mm。

圖3 激光束移動(dòng)不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布云圖

圖4為不同時(shí)刻的激光照射區(qū)域中心溫度折線(xiàn)圖。由圖4可以看出，在激光照射僅0.015 s時(shí)，照射區(qū)域最高溫度便超過(guò)了1 500 ℃，接近材料熔點(diǎn)；在激光照射0.075 s后中心溫度接近2 500 ℃，隨后中心溫度趨于穩(wěn)定。

圖4 不同時(shí)刻的激光照射區(qū)域中心溫度

4 仿真結(jié)果驗(yàn)證

圖5為實(shí)際熔池與仿真熔池的尺寸對(duì)比。經(jīng)過(guò)測(cè)量，實(shí)際熔池的直徑為0.589 mm，仿真熔池的直徑為0.6 mm。通過(guò)對(duì)比可以看出，仿真的熔池尺寸與實(shí)際熔池尺寸大小基本吻合，出現(xiàn)誤差的具體原因有：仿真軟件定義與溫度相關(guān)的焓參數(shù)時(shí)，由給定的部分焓值利用差值法推出材料的溫度焓值曲線(xiàn)，與實(shí)際焓參數(shù)有一定差別；TC4粉末從熔池上方經(jīng)過(guò)激光被噴射到熔池內(nèi)，實(shí)際被激光加熱的時(shí)間與仿真時(shí)設(shè)置的理論加熱時(shí)間不同；模型劃分的網(wǎng)格尺寸和高斯熱源的時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)仿真結(jié)果有一定的影響。

圖5 實(shí)際熔池與仿真熔池的尺寸對(duì)比

5 結(jié)論

使用ANSYS仿真軟件建立了高精度激光熔覆過(guò)程的數(shù)值模型，并對(duì)熔覆過(guò)程進(jìn)行仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，表明利用等價(jià)折算預(yù)置粉材厚度的方法是可靠的，利用該模型能夠較好地模擬出高精度激光熔覆的熔池傳熱情況。

當(dāng)采用功率為80 W且光斑直徑為0.4 mm的激光以40 mm/s的速度熔覆時(shí)，只需要0.015 s便能將材料加熱到熔點(diǎn)溫度。通過(guò)仿真結(jié)果等溫線(xiàn)的分布可以看出熔覆過(guò)程存在熱積累作用，熔池移動(dòng)過(guò)的區(qū)域等溫線(xiàn)分布比熔池未經(jīng)過(guò)的區(qū)域稀疏。