鑄件材料裝備表面激光二次掃描修復工藝影響分析

王延文 高 凱,2

（1.中石化石油工程技術服務有限公司科技信息部,北京 100020；2.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院,山東 東營 257017）

激光修復是一個急速加熱與冷卻的過程，極高的溫度梯度與冷卻速率導致了極大的熱應力。通過緩冷調整激光修復過程中的溫度循環過程，適當降低冷卻速率，對于降低殘余應力、抑制裂紋的產生有良好的效果。現有的緩冷措施主要集中在爐內緩冷和后續熱處理方面，且需要多套設備的輔助操作，較為費時費力。考慮到現有緩冷措施的不足和熱處理工藝的復雜性，以及激光束操作靈活可控的特點，本文提出一種激光二次掃描的工藝措施。

1 激光二次掃描修復工藝流程

在實驗過程中，光斑、送粉方式均不變，對裂紋產生直接影響的工藝參數為激光功率和掃描速度[1]。有研究表明，掃描速度對石墨形態、組織分布、組織特征的影響作用很大，而激光功率的作用相對較小。掃描速度相比激光功率，對修復層裂紋具有更大、更直接的影響。因此在激光二次掃描過程的工藝參數設計時，保持恒定的低激光功率，只對掃描速度進行改變，并重點分析掃描速度的影響。本文設定激光二次掃描過程中功率恒定為500 w，掃描速度分別為100 mm/min、150 mm/min、200 mm/min、300 mm/min，選取的工藝參數如表1所示。其中，Set1～Set4實驗為在修復后施加激光二次掃描，Set5為對比實驗，只包括修復過程，無激光二次掃描過程。在對激光修復工藝參數的研究中，可得激光功率3 500 w、掃描速度300 mm/min為較為理想的工藝參數組合。

表1 激光二次掃描工藝參數

如圖1(a)所示，實驗前將合金粉末預置在試樣表面。實驗主要包括激光修復、激光回程和激光掃描三個過程，如圖1(b)～圖1(d)所示。圖1(b)為激光修復過程，修復功率為3 500 w，掃描速度為300 mm/min，修復過程所需時間共10 s。在激光修復完成之后，激光關閉（p=0），同時激光頭以較快的速度（1 500 mm/min）返回修復初始位置，同時將激光功率降低至500 w，所需時間為2 s，如圖1(c)所示。激光頭回到修復初始位置之后，激光打開，以不同的掃描速度對修復層進行二次掃描。二次掃描過程如圖1(d)所示，激光功率設定為500 w，掃描速度分別為100 mm/min、150 mm/min、200 mm/min、300 mm/min，所需時間分別為30 s、20 s、15 s和10 s。

圖1 激光二次掃描過程描述

2 激光二次掃描的熱力特征分析

本文采用數值分析手段研究激光二次掃描過程中修復層的熱力變化情況。通過改進激光修復數值模型，添加激光二次掃描環節，分析有無激光二次掃描環節、不同速度下的激光二次掃描環節對修復層溫度和應力狀態的影響。

2.1 溫度響應分析

以Set3為例，對激光二次掃描過程中的熱力響應過程進行分析[2]。圖2為Set3中修復層中心線中點M的溫度循環曲線。T1為激光修復階段，共10 s。在修復過程中，當激光靠近M點時，溫度急速上升至3 200 ℃，隨著激光遠離M點，其溫度迅速下降，在修復結束時刻的溫度約為300 ℃。之后為T2激光回程階段，激光頭關閉，并高速返回至修復起始端，所需時間為2 s。在激光回程過程中，M點的溫度持續下降，但下降幅度較小，在T2末端，溫度降至245 ℃。

圖2 Set3與Set5中M點溫度循環過程

T3為激光二次掃描階段，掃描過程中的功率為500 w，速度為200 mm/min，該過程共持續15 s。激光在二次掃描過程中由于速度較慢，所以相比修復階段，M點的溫度上升和下降速率較為平緩。由圖2中T3階段的溫度循環情況可知，在18.4 s～19.7 s過程中，M點溫度由221 ℃升高至603 ℃，溫度上升較為平緩。在19.7 s～21.5 s過程中，M點溫度由603 ℃降至305 ℃，溫度下降較為緩慢。之后M點溫度緩慢下降，在二次掃描結束時刻，溫度為209 ℃。由T3階段的溫度變化過程可知，由于掃描速度較慢，二次掃描過程中的溫度上升和下降均較為平緩，且隨后的冷卻過程時間較長，這為修復層殘余應力的釋放提供了條件。Set5只有激光修復過程，無二次掃描環節，其激光修復過程與Set3是一致的，在激光修復完成之后試樣溫度一直冷卻，如圖2所示。

圖3為Set3中激光修復（T1）、激光回程（T2）、激光掃描（T3）三個階段中間時刻的溫度分布情況。圖3(a)為激光修復中間時刻，熱作用區域呈帶狀分布。圖3(b)為激光回程中間時刻，試樣不受激光作用，處于降溫過程，修復層末端的溫度最高，約為1 092 ℃，起始端的溫度最低。圖3(c)為激光二次掃描中間時刻（t=19.5 s），其溫度分布與修復過程類似。圖3(d)為此時刻（t=19.5 s）Set5的溫度分布情況，可知無二次掃描作用時，試樣的溫度已下降到140 ℃～230 ℃，其中最高溫位于修復層末端，為231 ℃。

圖3 Set3和Set5中T1、T2、T3階段中間時刻的溫度分布

2.2 應力響應分析

2.2.1 瞬時熱應力分析

圖4為Set3與Set5中M點的X方向瞬時熱應力變化情況。T1階段為激光修復階段：當光斑遠離M點時，M點附近的單元未被激活，不參與計算，因此應力為零；隨著光斑靠近，位于M點前端的材料受熱膨脹，擠壓M點，因此M點受到X正向作用力；當光斑作用于M點區域時，M點受熱膨脹，受到周圍材料的約束，因此受X負方向作用力；之后M點區域熔化，應力迅速減小；當光斑離開M點區域時，該區域冷卻收縮，受到X正方向熱應力作用，且應力迅速升高[3]。

圖4 Set3與Set5中M點X方向瞬時熱應力

Set3與Set5在激光修復階段和冷卻階段的變化是一致的，其中修復階段為T1（0～10 s），冷卻階段包括T2階段（10～12 s）和T3部分階段（12～14 s)，在14 s時兩者的熱應力均為215 MPa。在14 s之后Set5中的熱應力以非常緩慢的速度上升。由于受到激光二次掃描的影響，Set3中M點前端材料受到激光二次熱作用而膨脹，對M點形成擠壓，M點區域開始承受壓應力，從而使M點區域的原有拉應力作用逐漸減弱。當二次掃描光斑作用于M點區域時，即在T3-1階段，壓應力作用與原有拉應力達到平衡，M點的應力狀態為零。隨著二次掃描激光離開該點，該點區域逐漸受到X正方向應力作用，并在冷卻過程中逐漸升高，在26 s左右達到穩定狀態，維持在176 MPa。在27 s時刻Set3X方向熱應力為176 MPa，而Set5X方向熱應力則高達236 MPa，兩者相差60 MPa，由此可知激光二次掃描可明顯降低X方向瞬時熱應力。

圖5為Set3與Set5中M點的Y方向瞬時熱應力變化情況。在前14 s過程中，兩者的熱應力變化情況是一致的，其應力變化情況與X方向瞬時熱應力的變化相似。在14 s之后，Set5中的Y方向瞬時熱應力基本恒定，保持在125 MPa左右。而Set3中試樣受到激光二次掃描作用，隨著二次掃描光斑的靠近，Y方向瞬時熱應力由130 MPa的拉應力迅速轉變為280 MPa的壓應力。該區域在二次掃描加熱過程中由拉應力向壓應力轉變的原因與圖4中的轉變是一樣的，但由于修復層Y方向應變較大，從而導致修復層在受熱膨脹時受到周圍基體的約束更大，壓應力的作用更大，在“中和”掉M點原有的拉應力后，壓應力繼續作用，從而導致拉應力轉變為了壓應力[4]。之后隨著光斑的遠離，M點逐漸由壓應力轉變為拉應力，在23 s之后基本保持恒定，維持在150 MPa。比較Set3與Set5的Y方向瞬時熱應力可得，激光二次掃描使得Y方向瞬時熱應力升高，但升高幅度很小，僅為25 MPa。

圖5 Set3與Set5中M點Y方向瞬時應力

圖6為Set3與Set5中M點的Z方向瞬時熱應力變化情況。兩者的變化規律基本一致，在修復階段受到激光直接作用形成熔池時有應力突變發生，在之后各時刻中，Z方向基本不受熱應力作用。Set3與Set5的區別在于激光二次掃描過程中，Set3在二次掃描光斑直接作用下有很小的應力突變。由此可知，在激光熱作用過程中，試樣受到的Z方向熱應力很小，因而激光二次掃描對Z方向熱應力幾乎沒有影響。

圖6 Set3與Set5中M點Z方向瞬時熱應力

綜合M點X、Y、Z方向的瞬時熱應力可知，激光二次掃描顯著減小了X方向的瞬時熱應力，但導致Y方向的瞬時熱應力小幅增加，對Z方向的熱應力幾乎沒有影響。由三個方向的瞬時熱應力矢量疊加（見圖7）來看，激光二次掃描對降低瞬時熱應力是有利的，二次掃描使熱應力降低了60 MPa。

圖7 Set3與Set5中M點瞬時熱應力

2.2.2 殘余拉應力分析

瞬時熱應力是判斷激光熱作用過程中熱力變化的重要參數。在激光熱作用過程結束之后，試樣冷卻至室溫，其內部應力狀態達到穩態，此時存在于試樣內部的應力為殘余應力。殘余應力對于試樣的實際應用過程有直接影響，是判別修復質量優劣的重要依據，因此有必要對激光二次掃描工藝下的殘余應力狀態進行研究。灰鑄鐵HT250屬于典型的抗壓不抗拉材料，其抗拉強度很低，因此重點研究其殘余拉應力。圖8為Set3和Set5中試樣冷卻至室溫后的殘余拉應力分布情況。

圖8 Set3和Set5中殘余拉應力分布

圖8中的試樣經過約1 800 s的冷卻，溫度已降至室溫，其內部拉應力達到穩態。Set3與Set5中的殘余拉應力分布基本一致。由于激光熱源主要作用在修復層，所以殘余拉應力主要集中在修復層和修復層附近區域，遠離修復層的基體區域殘余拉應力值較低。在修復層的中部形成了較高的應力區域，而修復層兩端的應力值相對較低，這說明試樣在冷卻過程中，修復層中心區域的收縮情況最為嚴重。修復層與基體的交界線兩端出現了最大的拉應力，是容易產生裂紋的危險部位。盡管Set3與Set5中殘余拉應力的分布狀態大體一致，但Set3中的應力值比Set5中的應力值要小，如Set3修復層中部拉應力值為260 MPa，而Set5為305 MPa；Set3修復層與基體交界線結束端的拉應力值為293 MPa，而Set5為344 MPa。這說明激光二次掃描對緩解殘余拉應力是有效的[5]。

為更好地研究殘余拉應力的分布情況，本文選取了不同的路徑研究其殘余拉應力。取模型關于中心截面對稱的一半，所選取的主要路徑如圖9所示。Line1為激光掃描中心線，Line2為修復層與基體的交界線，Line3為修復層橫向路徑，Line4為修復層和基體的深度方向上的路徑，Line5與Line1平行。根據兩條路徑間的距離d的不同，可研究激光在掃描方向上不同深度的路徑分布，其中d分別取值為0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm與2.0 mm。

圖9 殘余拉應力查看路徑

通過Line1至Line4路徑，可較為全面地觀察修復層與基體在長度方向、橫向方向與深度方向的殘余拉應力分布情況，如圖10所示。圖10(a)為Line1激光掃描中心線上的殘余拉應力分布，在Line1的始端和末端殘余拉應力均較小，在Line1中部殘余拉應力較大，其中Set5約為265 MPa，而Set3僅為220 MPa，且Set3中殘余拉應力的下降趨勢更為明顯。圖10(b)為Line2修復層與基體交界線上的殘余拉應力分布，在修復起始端的應力較大，其中Set3為255 MPa，Set5為274 MPa。由路徑起始端向中部靠近過程中，應力變小且變化過程逐漸平緩。在靠近路徑末端處，應力再次出現波動。Line2路徑上Set3與Set5的變化趨勢是一致的，但是在路徑中部的應力平緩區域，Set5中的殘余拉應力比Set3中對應各點的應力平均要高25 MPa。修復層橫向路徑上殘余應力的分布如圖10(c)所示。與其余路徑上殘余拉應力的分布不同，Line3路徑上的應力分布較為均勻，Set3的平均拉應力約為230 MPa，而Set5約為263 MPa，兩者相差33 MPa。圖10(d)為修復層與基體深度方向路徑Line4上的殘余拉應力分布，Set3與Set5中的拉應力分布幾乎是一致的。在修復層（0～1 mm）中保持較高的應力狀態，約270 MPa，在修復層下部（1～2 mm）的路徑中，應力急劇下降，在2 mm處降為-6 MPa，之后隨著深度的增加，拉應力緩慢上升至45 MPa。這說明在激光修復過程中，修復層是激光熱作用最劇烈的區域，在修復結束之后存在很高的殘余拉應力，而遠離修復層的基體中殘余拉應力值很低。

圖10 Set3和Set5中Line1至Line4上的殘余拉應力

Line5與Line1平行，通過d的大小可設定Line5的深度，Line5反映了不同深度上試樣長度方向上的殘余拉應力分布，如圖11所示。圖11(a)、圖11(b)中d分別為0.5 mm、1.0 mm，則Line5代表了試樣長度方向上修復層內部的殘余拉應力分布情況。修復層內部殘余拉應力在兩端較低，在Line5路徑中部，拉應力變大且基本保持恒定。圖11(c)、圖11(d)中d分別為1.5 mm和2.0 mm，則Line5代表了修復層下部基體中的殘余拉應力分布情況。與修復層中的拉應力分布不同，靠近修復層的基體部分在路徑Line5兩端的拉應力較大，而在路徑中部殘余拉應力較小且基本保持恒定。Set3與Set5在該路徑上的分布基本一致，說明激光二次掃描對該方向路徑上的殘余拉應力影響不大。通過對各路徑上殘余拉應力分布的研究可知，激光二次掃描在減小試樣殘余拉應力，尤其在降低修復層的殘余拉應力方面，有較為積極的作用。

圖11 Set3和Set5中Line5上的殘余拉應力

3 結語

本文基于非線性熱彈塑性理論，采用熱-力間接耦合的有限元分析方法，實現了表面缺陷的動態填充修復，改進了現有三維熱源以提高熱源表達效率，創新設計了激光連續二次掃描工藝措施，建立了激光熱修復全過程數值模型并驗證其可靠性，給出了連續二次掃描熱修復過程的熔區溫度、熱應力和熱變形規律。研究發現，設計的二次掃描能夠很好地緩解激光熔池瞬間冷凝形成的應力集中，有效改善了瞬態熱應力分布情況。