等離子束表面強化數值模擬分析

趙鐵軍，張 騰，鄭 立，陳東旭，吳 楠，袁振宇

（沈陽工業大學機械工程學院，沈陽 110870）

0 引言

隨著近年來機器人技術在工業中不斷發展，等離子束技術與機器人結合對零件表面強化處理成為必然趨勢。等離子束表面強化主要特點是提升工業生產效率、操作簡便、成本低，提高了金屬零件表面質量與工藝性能，可以適應更復雜、惡劣的工作環境，廣泛地用于化工行業、石油行業、礦山機械等領域[1]。Ovcharova[2]運用解數學物理方程的解析方法，得到等離子束內部溫度場分布情況，通過方程建立了能量平衡方程，確定了電弧大小、工作電流、掃描速度等參數之間的關系，但解物理方程的方法求解精度較差。20世紀60年代，計算機數值模擬技術逐步發展，羅杰等[3]對溫度場進行了有限元數值模擬，最終通過研究得出靠近陰極電流密度較大，溫度也較高，電流與溫度場之間存在一定的線性關系。等離子束技術的研究與應用有助于推動制造業的高速發展[4]。等離子束表面強化技術是噴槍產生離子束作為熱源，對工件表面進行表面強化處理[5]。目前國內外對零部件表面強化一般采用手工淬火、工件移動等離子設備固定等方法，但對于復雜零件及大型工件很難達到表面工藝要求[6]。機械自動化的不斷發展，工業機器人具有可編程、靈活性高，在工業實際生產中得到廣泛應用。

因此，本文提出了六軸機器人與等離子技術相結合的方法，將等離子束噴槍安裝在機器人末端，通過對機器人進行運動學、動力學分析，規劃軌跡路線。通過編程控制機器人位姿、速度、加速度，控制對等離子束工作電流、工作功率、掃描速度等參數建立全表面工藝流程。運用有限元軟件（FEA，Finite Element Analysis）對溫度場進行分析，分析其參數變化對其工藝性能的影響。

1 等離子束溫度場有限元模型

1.1 邊界條件確定

金屬材料在移動熱源等離子束作用下，等離子束表面強化零件的有限元模型如圖1 所示。等離子束溫度場數值模擬主要存在對流、輻射等傳熱形式，在金屬材料內部主要是熱傳導、對流形式。等離子束熱能主要是以熱流密度的形式強化零件表面。本文利用Ansys APDL劃分網格，通過對不同節點、時間施加熱源載荷，為了計算方便，將工件向周圍環境進行的輻射與對流所產生的作用進行合成，共用對流系數參數來具體體現。在數值模擬計算時，定義初始溫度為20 ℃，熱源施加于外表面單元節點上，計算與周圍流體環境的熱交換。當等離子束溫度到達1 000 ℃以上時，由不等式確定熱傳導系數與比熱容參數[7]，如下式所示：

圖1 零件三維模型

1.2 等離子束熱傳導方程

等離子束表面強化處理過程中，等離子束熱源作用到工件上，表層溫度迅速升高并向基體傳遞熱量，這種熱傳導方式是等離子束表面強化最主要的傳熱方式。等離子束強化不允許發生表面熔化的現象，整個溫度變化的過程都在固態下進行，因此，等離子束淬火溫度場遵守固體導熱微分方程，溫度分布滿足基本的導熱微分方程。熱傳導方程為[8]：

式中：T 為溫度，℃；ρ為材料密度，kg/m3；cp為比熱容，J/（kg·℃）；λ 為熱傳導系數，W/（m·℃）；Q為相變潛熱，mJ。

1.3 熱源模型

等離子束所產生的熱源屬于沖擊效應較大的高能量密度熱源，考慮到其具有一定直徑且熱源中心溫度最高向外逐步減弱，因此采用面熱源和雙橢球形的體熱源組合而成。熱源密度函數為：

式中：q 為等離子熱流密度；L 為任一點距離光斑圓心距離；R為等離子束熱源半徑；qs為最大熱流密度。其表達式為：

式中：P為等離子噴涂功率；I為電流；U為電壓；η為基體材料能量吸收率。熱源中心密集邊緣呈擴散狀態，其熱源密度在實際工作參數有限功率選取0.7[9]。

1.4 網格劃分

在網格劃分過程中，網格的密度尺寸將會影響有限元分析的準確性，因此在劃分網格過程中，應該盡量使得網格尺寸小和網格密度增加，但在實際運算時，網格密度太大會使在有限元分析過程中出現不必要的麻煩，同時過細的網格劃分會導致計算的時間太長。網格劃分通常有映射網格、自由網格劃分兩種。前者網格形狀規則，為六面體單元，便于施加熱源載荷[10]。綜上所述，本文等離子束表面強化有限元網格劃分如圖2所示。

圖2 等離子束表面強化有限元網格劃分

1.5 材料熱物性參數

由熱傳導方程可以看出，影響溫度T 的因素主要由材料密度、比熱容、熱傳導系數等熱物性參數決定，材料的熱物性隨著溫度的變化而變化，因此要考慮材料的非線性問題。在以往的研究中，為了方便計算，往往采用定值，但是在實際過程中，工件溫度變化，其數值是隨溫度變化的，因此存在較大誤差。一般高溫下的熱物性參數很少，但是對計算結果有很大影響。如表1所示為其熱物性參數，數學定義式為：

式中：ΔH 為熱焓； ρ 為材料密度；T 為溫度；c(T) 為比熱容。

表1 45Cr熱物性參數

2 溫度場數值模擬結果與分析

應用ANSYS APDL 有限元軟件的后處理功能進行溫度場分布情況的分析，通過調用APDL 中的General postproc 指令、Read Results 中的By Pick 溫度場后處理指令查看溫度分布情況；調用TimeHist Postpro 時間歷程后處理指令進行任意節點的溫度場分布情況。等離子束表面強化過程溫度場分布情況直接影響到最終表面處理效果。本文根據APDL后處理功能深刻分析不同工藝參數對其溫度場的影響。工藝參數取值范圍如表2所示。

表2 等離子束工藝參數

2.1 噴槍掃描速度的影響

選取同一節點，保持其他參數不變，掃描速度改變，范圍60～100 mm/s，通過調整命令流參數，觀察溫度場分布情況。圖3所示為不同掃描速度下溫度場分布云圖，當掃描速度為60 mm/s，T=1 037.070 ℃；當掃描速度為80 mm/s，T=883.042 ℃；當掃描速度為100 mm/s，T=778.773 ℃。可以觀察等離子束經過同一節點時，溫度由T=1 037.070 ℃下降到T=778.773 ℃，逐漸降低。這是由于隨著噴槍掃描速度的增加，噴槍停留在工件表面的時間減小，熱源施加在零件表面熱量降低，故節點的峰值溫度較低。

2.2 電弧功率對溫度場的影響

掃描速度80 mm/s，電流80 A，噴嘴距離工件距離3 mm，熱源半徑2.5 mm，功率選取2 000～3 000 W的參數，通過調整命令流參數，不同功率參數下溫度場云圖如圖4所示。當功率P=2 000 W時，溫度T=1 119.83 ℃；當功率P=2 500 W時，溫度T=1 303.13 ℃；當P=3 000 W，瞬時溫度T=1 440.61 ℃。根據有限元數值模擬可得，隨著等離子束功率增加，熱源半徑、掃描速度等參數不變，單位面積下的熱流密度增高，單位時間內獲得的熱能增加。

圖3 同一節點不同掃描速度下溫度場分布示意圖

3 試驗驗證

根據理論推導及數值模擬數據分析進行試驗，選取美國飛馬特等離子弧焊機作為實驗設備。此種等離子束設備操作簡單、成本低廉、實驗結果穩定，并且可以通過調節電壓、電流、保護氣等參數進行全方面地研究。該等離子束機具有如下技術參數，離子氣體流量0.4 m3/h，脈沖頻率范圍50/60 Hz，電流最大值150 A，最大輸出負載率100%，工作電流150 A。試驗結果如圖5所示。

圖4 不同功率下溫度場分布示意圖

圖5 等離子束表面強化試驗圖

4 結束語

（1）數值模擬選取同一位置節點，當保持電弧功率、工作電流、工作電壓等參數為定值時，隨著掃描速度增大，溫度逐漸降低，因為在單位時間內噴槍停留在工件表面的時間減小，工件表面單位時間內吸收的熱量降低，故節點的峰值溫度較低。在實際工業生產中要根據需求適當調整掃描速度參數，速度過低，單位時間節點吸收熱量過高，表面精度下降，嚴重會導致零件內部屬性的破壞；反之，速度過高會導致表面處理后的硬化層達不到預期強化效果。

（2）當保持掃描速度、工作電流、工作電壓等參數為定值時，隨著電弧功率增加，單位面積下的吸收熱流密度增高，即單位時間內獲得的熱能增加。等離子束表面強化處理時，單位時間內輸出的熱能越大，硬化層寬度和深度也會隨之改變，有助于表面耐磨性、耐腐蝕性等性能的增強。任何材料都有自己的熔點，所以工作功率不宜過大，否則會使得工件表面發生熔化現象。故應選取適當的工藝參數值獲得最優表面強化效果。

（3）試驗結果表明，運用六軸機器人與等離子束技術相結合的形式對復雜工件及大型工件具有很好的表面改性能力。此種方法與傳統等離子束強化相比，具有靈活性高、表面處理之后工藝性能高、硬化層分布均勻、加工穩定性強等優勢，還可以通過離線編程技術實現軌跡路線的設定，在未來工業表面改性智能化加工生產中有重要研究意義。