鎬型截齒激光熔覆數值模擬研究

陳向陽 鄭小豪 魏昌國 方志淮 李 兵

(1.安徽理工大學機械工程學院，安徽 淮南 232001；2.安徽九環智能環保科技有限公司，安徽 淮南 232001；3.安徽晟名新材料科技有限公司，安徽 淮南 232001)

0 引言

截齒是采煤機截割部的重要零件。由于煤層環境十分復雜，對采煤機截割部零件來說，必須要具備足夠強度和使用壽命，才能滿足對零件的工作和壽命要求［1］。未經處理的截齒早已不能滿足目前行業要求，截齒必須經過表面強化才能投入使用。常用的截齒表面處理方法為堆焊，堆焊雖在一定程度上能提高截齒的強度，但隨著行業發展，堆焊處理后的截齒硬度、耐磨性及耐腐蝕性等主要性能已無法滿足要求。目前，大部分企業選擇激光熔覆對截齒表面進行處理。本研究通過對不同激光熔覆的功率和掃描速度溫度場及應力場進行模擬，從而得到合適參數。

Leunda 等［2］在雙筒形孔零部件內壁進行激光熔覆NiCr-WC 粉末試驗，研究結果表明，球形對不規則形狀WC 顆粒具有較高的粉末利用率，易制得滿足需求的熔覆層。Emamian等［3］研究了激光熔覆工藝參數對TiC 熔覆層宏觀形貌的影響，研究結果表明，工藝參數對于TiC 的形態成型具有直接影響，并起到主要作用。許明三等［4］采用剪切法對熔覆層和基體的結合強度進行測試，研究了多個影響因素對結合強度的影響程度，研究結果表明，激光熔覆層的結合強度能達到工作要求。鄧德偉等［5］采用激光熔覆法提高了水導潤滑軸承的表面性能，并通過試驗研究了各工藝參數對Ni40 熔覆層的影響規律。Liu［6］使用三維模型分析了激光重熔對NiCrBSi 涂層殘余應力的影響，結果表明，重熔區域表現為拉伸殘余應力。Luo 等［7］采用激光沖擊技術消除了涂層內部較大的殘余應力，并優化了涂層的微觀結構和力學性能。Das 等［8］發現激光重熔可使涂層表面產生殘余壓應力，這抑制了裂紋的產生和擴張，從而顯著降低了涂層的裂紋密度。

1 模型建立與數值模擬

1.1 零件模型與網格劃分

本研究選用U47-22 鎬型截齒。截齒激光熔覆是在主要受力區域熔覆一層2 mm 厚的熔覆層，截齒有限元模型如圖1 所示。網格劃分在有限元分析中十分重要，網格質量的好壞直接影響到計算準確性。截齒的主要計算區域在熔覆層位置，故對該位置的網格進行加密處置，其余位置可適當增加網格尺寸，以減少計算時間。

圖1 截齒有限元模型

為簡化溫度場數值模擬計算模型，對模擬過程做如下假設［9］：材料為各向同性的；忽略熔池流體的流動作用對溫度場的影響；忽略熔覆過程中的相變潛熱；忽略因熱輻射導致的熱量損失；忽略材料的汽化作用。

1.2 熱源模型

目前，激光熔覆模擬常用的熱源有高斯面熱源、高斯體熱源、橢球型熱源、雙橢球熱源等。對研究對象及重點而言，高斯面熱源更為合適。

1.3 邊界條件及生死單元

瞬態熱分析邊界條件包括對流換熱和熱輻射。為簡化計算，只考慮零件和環境間的熱對流情況，熱對流系數與溫度有關，如圖2所示。生死單元技術是在熱源加載前先殺死單元，使得在熱源還未加載到該位置時，該位置的材料模型不具備任何屬性，在熱源生成后對應的單元激活，激活后的單元開始施加材料屬性。生死單元的應用使得模擬更加接近真實情況［10］。

圖2 換熱系數—溫度曲線

2 模擬結果及分析

2.1 溫度場結果

功率為3.5 kW、掃描速度為0.4 π/s的某時刻溫度場分布情況如圖3 所示。由圖3 可知，被激光掃描過的單元被激活，其最高溫度為2 082.8 ℃、最低溫度為25 ℃。溫度在截齒內部以熱傳遞的形式向外擴散，越靠近激光斑點區，溫度越大。由于熱源施加是一個瞬間的過程，因此在熔覆區會經歷急速升溫急速降溫的過程，這會導致在熔覆區附近產生極大的溫度梯度，瞬間產生極大的熱應力，但是隨著冷卻時間的增加，熱應力會慢慢減小但依然很大［4］。截齒在工作時主要是合金頭和熔覆區受力，過高的應力會大大降低截齒的工作壽命。為了提高截齒壽命，必須進行后處理以減小內應力。

圖3 某時刻溫度場云圖

不同參考點的溫度—時間曲線如圖4 所示。由圖4 可知，熔覆過程，每一個參考點的溫度會出現多個波峰，第一次是激光熱源施加時，此時溫度最高，材料也在這個瞬間熔覆到基體上。后續的波峰是因激光熱源施加到后面幾層熔覆層的相應位置時，通過熱傳遞的方式產生波峰，此時的溫度會影響熔覆層和基體材料的組織演變，會直接影響材料表面的硬度、耐磨性等［5］。截齒不同位置的熔覆層熔覆過程中，受熱傳導影響，峰值溫度會有不同。

圖4 不同參考點溫度—時間曲線

不同掃描速率下的溫度—時間曲線如圖5 所示。由圖5 可知，掃描速率越大，激光光斑在零件表面停留時間越短，零件吸收的能量也越少，零件最高溫度降低。當掃描速度超過某一個極值時，激光產生的能量已經不能使材料融化融合。

圖5 不同掃描速度溫度—時間曲線

不同功率的溫度—時間曲線如圖6 所示。由圖6 可知，功率越高，零件最高溫度越高，冷卻速率越低，而冷卻速度會影響材料性能，尤其是殘余應力和材料硬度［11］。由此可以推斷出，提高熔覆速度，必然會導致材料吸收的能量降低，提高激光功率,可增加材料的能量吸收,從而提升峰值溫度。當掃描速率由0.1 π/s提升至0.4 π/s，將激光功率提升至3.5 kW 時，相較于單獨提升速率，到達峰值溫度的時間相同，但峰值溫度提升了400 ℃左右。相較于單獨提升激光功率，其到達峰值溫度的時間提前了10 s，峰值溫度降低了1 000 ℃左右。

圖6 不同功率溫度—時間曲線

2.2 應力場結果

功率為3.5 kW、掃描速度為0.4 π/s熔覆結束和自然冷卻1 h 的應力場云圖如圖7 所示。由圖7 可知，由于激光熔覆過程是一個急速升溫融化，而后迅速冷卻凝固的過程，在熔覆層上會產生極大的熱應力，熱應力主要集中在熔覆層上，且最大應力在熔池邊界處［12］。由圖7（a）可知，熔覆結束時最大應力為2.294 7×108MPa。因為在同樣對流環境下，不同的溫度冷卻速率不同，因此在冷卻一小時后，最大應力降低至7.693 4×107MPa。

圖7 應力云圖

不同激光功率殘余應力和不同掃描速度殘余應力見表1、表2。激光掃描速率不變，將激光功率分別提升到0.5 kW 和1.5 kW，熔覆結束時的應力分別提升0.28×108MPa 和1.13×108MPa。冷卻1 h 后，應力分別提升0.16×107MPa 和0.57×107MPa。當激光功率不變，將掃描速度分別提升0.1 π/s和0.3 π/s，熔覆結束時的應力分別降低0.04×108MPa 和0.07×108MPa。冷卻1h 后的應力分別降低0.46×107MPa和0.81×107MPa。當同時將激光功率提升至3.5 kW、激光掃描速度提升至0.4 π/s時，熔覆結束時殘余應力為2.29×108MPa，比僅提升功率降低0.88×108MPa，比僅提升掃描速率增加0.32×108MPa。冷卻1 h 后，殘余應力為7.69×107MPa，比僅提升功率降低1.23×107MPa，比僅提升掃描速率增加0.15×107MPa。綜上所述，僅提升激光功率會增加熔覆時和冷卻后的殘余熱應力，僅提升掃描速度會降低熔覆時和冷卻后的殘余應力。相較于僅提升單一參數，同時提升功率和掃描速率，熔覆結束和冷卻1 h 后的殘余應力整體處于降低趨勢。

表1 不同激光功率殘余應力 單位：MPa

表2 不同掃描速度殘余應力 單位：MPa

3 結論

本研究利用Workbench 平臺，模擬出截齒激光熔覆過程中的溫度場，并分析激光功率和掃描速率對激光熔覆溫度場的影響，得出以下結論。

①激光功率會影響熔覆過程中的峰值溫度和殘余應力。激光功率越高，峰值溫度越大，并隨著功率的升高，冷卻速率會降低，提升激光功率會增加熔覆時和冷卻后的殘余熱應力。

②掃描速度越大，峰值溫度越低。當速度過高時，零件吸收的能量不足以讓材料融化。提升掃描速度會降低熔覆時和冷卻后的殘余應力。

③同時提升掃描速率和激光功率，可提升熔覆效率，且溫度也能達到需要的溫度，熔覆時和冷卻后的殘余應力整體會降低。