基于ABAQUS 的高磷鑄鐵激光淬火溫度場分析*

張勝文 夏子凡

（1.江蘇科技大學機械工程學院 鎮江 212003）

（2.江蘇科技大學江蘇省船海機械裝備先進制造重點實驗室 鎮江 212003）

1 引言

伴隨著激光加工技術的發展和科研人員的研究，激光表面淬火技術在材料表面強化領域的應用越來越受到行業的大量關注。激光淬火技術對比傳統表面強化技術在表面強化領域優勢更為明顯，發展潛力無窮［1～3］。激光淬火后試樣表征檢測分析和利用計算機技術模擬激光淬火過程是當前對激光淬火技術的研究主要有兩個趨向。在基于試驗的的激光淬火技術研究部分，蘭州理工大學賈金鳳等利用CO2激光器對HT250 進行了表面激光淬火，與高頻感應淬火進行了試驗對比，確定了激光淬火的最佳工藝參數和分析了淬火后試樣的磨損失效形式［4］，美國 McDaniels 等對 AISI4340 進行了激光淬火，分析了淬火后的疲勞強度和微觀組織，結果顯示激光淬火技術的熱影響區不會對高循環工作材料的疲勞強度造成不良的影響［5］，Stanislav 對鑄鐵進行激光淬火后發現，其表面硬度及耐磨性與傳統表面強化技術相比，均有大幅的提升，并描述了石墨附近的相變，該描述涉及到硬質相和碳化物相的形成，從而使硬度值達到65 HRc以上，并具有良好的耐磨性［6］。在激光淬火數值模擬研究上，計算機控制技術的飛速發展給激光淬火過程中數值模擬的研究帶來大量研究成果，為數值模擬技術在激光淬火應用提供了良好的理論基礎［7～11］，青島理工大學惠英龍等模擬了18CrNi8 齒輪鋼在激光淬火時的溫度場，對比模擬結果將激光淬火試驗結果，結果顯示模擬結果和實際情況極為相近，此次研究結果表明齒面的激光淬火過程可以通過ANAYS有限元分析軟件較為真實的模擬，此次研究方法和試驗數據對未來的實驗研究及激光淬火技術的發展具有重要的參考意義［12］，上海交通大學汪舟等利用Abaqus/Standard 對AISI4101 鋼的激光淬火進行了有限元模擬，在物理模型中綜合考慮了激光熱源和工件表面熱邊界條件不同等因素的影響，通過此模型可以制定出較為合理的激光淬火工藝，從而預測淬火試樣的硬化層［13］，Hamar等提出并解決了鋼體激光硬化的三維模型及其感應預熱。該模型由兩個偏微分方程組成，描述了系統中非線性和非平穩磁場的分布以及加熱對象中的非平穩溫度場。兩個方程在硬耦合配方中以數字方式求解，尊重材料參數的溫度依賴性，并借助典型的例子說明［14］，DuradundiSawant Badkar 等應用響應面法和中心組合設計方法進行建模，分析了激光淬火參數對熱輸入及淬火層的影響，優化選取鈦板激光淬火最佳工藝參數［15］。

本文通過Abaqus 對激光淬火過程溫度場的仿真，結合計算機分析熱物性參數、工藝參數和工件幾何尺寸對淬火過程的復雜影響。激光淬火的溫度場模擬仿真能夠實現對淬火試驗方案及激光淬火參數的優化，實現精準控制對激光加熱區內的溫度，并預測激光淬火的硬化結果，將模擬與實驗相結合，既節省時間和經費，又可以相互印證，讓激光淬火技術的發展基于可靠與堅實的理論基礎。

2 前處理及理論分析

2.1 熱力學理論基礎

激光淬火溫度場屬于典型非線性瞬態傳熱問題，在激光淬火過程中，表面不允許發生融化現象［16～17］，因此激光掃描溫度場遵循以下熱傳導微分方程：

其中ρ為材料密度，Cp為材料比熱容，λ為材料導熱系數，Q（x，y，z，t）為相變潛熱。

2.2 模型建立和材料屬性設置

高磷鑄鐵為廠方添加P 元素研制的新型耐磨鑄鐵，因此該鑄鐵的熱物性參數未有數據參考，因此本文利用Jmatpro軟件計算獲取高磷鑄鐵的熱物性參數，在jmatpro 軟件的鑄鐵模塊功能里輸入高磷鑄鐵材料成分（表1），隨后模擬計算得出高磷鑄鐵的密度、熱膨脹系數、比熱容和導熱率的參數導入Abaqus材料屬性模塊。

表1 磷鑄鐵元素百分比成分表

2.3 模型網格劃分

試樣原型尺寸長39mm，寬23mm，高10mm，在Abaqus 中對試樣建模時為減少計算時間和數據量，以光斑掃描路徑的的中心軌跡將試樣分割成對稱兩半，創建后模型尺寸為39mm*11.5mm*10mm，將建好的模型賦予材料屬性，隨后對模型進行網格劃分，考慮Abaqus 分析時的分析精度和分析效率，將模型分塊布種，激光受熱區域為細網格，對熱影響區及其他區域由內向外依次劃分為粗網格，如圖1所示。

圖1 模型網格劃分圖

3 載荷施加方案

3.1 初始條件與邊界條件的確定

在移動熱源加載前，設定試樣基體初始溫度條件為25 ℃ ，由式（2）表達：

在對基體試樣的激光淬火過程中，激光光斑為能量分布均勻的矩形光斑，因此在本文的數值模擬中，激光熱源加載的功率密度為

基體試樣沿光斑掃描方向開始位置到結束位置所受激光輻射密度：

其中P 為激光功率，V 為光斑掃描速度，η為材料對激光的吸收率。光纖激光器波長為1.06μm，CO2激光器波長為10.6μm，金屬材料對光的吸收率與波長成反比，本文選取材料對光纖激光器的吸收率為 0.35［18］。

3.2 載荷施加過程

溫度場模擬根據實際加工情況，熱源是沿著基體試樣上表面移動的載荷，因此需定義移動熱源子程序Dflux，借助Fortran 語言模塊編譯移動熱源子程序代碼，隨后將Dflux 子程序附加到作業模塊上提交分析即可實現模擬激光淬火過程。主要加工參數為熱源移動速度v=25mm/s，激光功率P=1100W，光斑面積S=A×B=25mm2。

4 模擬結果分析及試驗驗證

4.1 淬火相變溫度臨界點確定

通過JmatPro軟件對已知成分比例的高磷鑄鐵材料計算溫度上升過程的組織變化，高磷鑄鐵材料奧氏體轉化率與溫度變化的關系曲線見圖2，高磷鑄鐵材料的臨界溫度為AC1=732℃，Ac3=797℃。參考淬火溫度需求，加熱溫度應當保障在Ac3以上的30℃～50℃左右［19］，考慮該鑄鐵材料為廠方獨自改良優化設計，無法獲取該材料熔點，參考大部分鑄鐵熔點在1400℃左右，因此設定高磷鑄鐵試樣淬火相變臨界點溫度在850℃左右，熔點1400℃左右，借此通過模擬淬火溫度場預測淬火硬化層層深。

圖2 基體試樣奧氏體轉變曲線圖

4.2 移動熱源加載情況和溫度場分析

Abaqus 在分析步計算完成后保存odb 作業，可以觀測移動熱源在模型上移動加熱過程和溫度場云圖，在本文選取了0.1s、1.0s和最終結束時刻的溫度場的云圖（單位℃），如圖3。由溫度場分布情況可知：激光淬火過程中，激光淬火掃描路徑的開始端溫度明顯低于激光淬火掃描路徑的結束端，可能是熱流的積累，在光斑結束位置處，溫度最高；分析光斑的移動過程和溫度場分布情況可知，沿激光掃描路徑方向上，光斑前沿的溫度梯度明顯大于光斑后沿的溫度梯度，原因是在激光掃描過程中，已經受熱的后端即光斑后沿溫度高于未經過光斑掃描處的前端，與光斑中心溫差不一致，已被受熱的光斑后沿相比光斑前沿傳熱要慢，溫度梯度小于光斑前沿的溫度梯度；移動光斑中心的溫度都在淬火臨界溫度以上，且加熱區瞬冷，從而使奧氏體向馬氏體轉變，達到激光淬火的目的；觀察移動熱源加載情況，熱源光斑形狀呈扁圓型，但在Fortran 語言編譯中定義熱源光斑形狀應為矩形，其原因應該是熱源加載過程中的在熱源的前后存在熱流的殘余和延伸。

圖3 熱源移動部分時刻溫度場云圖

4.3 硬化層深度分析及試驗驗證

繪制中間時刻t=1s 時垂直于光斑掃描路徑方向縱深各節點溫度分布曲線圖4，通過曲線圖分析溫度場分布情況并參考淬火臨界點溫度估算激光淬火硬化層深度。

圖4 縱深溫度分布曲線圖

由縱深溫度分布曲線圖可知，縱深截面在節點溫度在850 處為淬火臨界點溫度，因此模擬激光淬火硬化層層深約為0.45mm。

圖5 截面硬度分布曲線圖

圖5 時表示基體試樣在激光功率P=1100W 和掃描速度v=25mm/s 下淬火試樣垂直于激光淬火掃描方向的截面硬度分布曲線圖。顯微硬度大于基體的部分可定義為硬化區域［20］，參考基體硬度約為320HV 左右，由硬度梯度圖得出淬火硬化層層深約為0.4mm左右，與溫度場云圖模擬結果基本相符。試驗結果偏低的原因一方面可能是試樣對光纖激光器吸收率的選取不當導致熱量的輸入有出入。還有一方面是借助軟件計算的材料的物性參數跟實際的不能完全一致。

5 結語

本文借助Abaqus 有限元軟件模擬在高磷鑄鐵試樣的激光淬火表面加工過程，模擬分析結果與試驗結果基本相符。通過對模擬結果的分析得知，在激光淬火過程中，激光掃描初始端的溫度明顯小于激光掃描結束時的溫度，光斑掃描速度是至關重要的因子，需在掃描初始階段以低速蓄積熱量保證硬化層層深，而在掃描結束階段需快速避免熱流堆積效應的影響造成溫度過高融化基體。

為保證基體試樣得到最佳激光淬火溫度，需要改變激光工藝參數，應用Fortran 語言編寫的DFlux移動熱源子程序可輕易改變激光工藝參數達到模擬淬火過程，實現模擬尋求激光淬火最佳工藝參數，借此應用Abaqus 進一步對激光淬火模擬和研究，為實驗和加工過程提供較為意義的參考。