基于生死单元的激光熔覆温度场数值模拟

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1、基于生死单元的激光熔覆温度场数值模拟摘要:计算了不同激光功率条件下粉末粒子到达基体丽的温升情况,并将粉末粒子到达基体前的温度作为初始条件，采用生死单元法对单道和多道激光熔覆温度场进行了研究.利用熔池尺寸和形貌,验证了模型的可靠性•结果表明,粉末粒了温升和激光功率呈线性关系，单道熔覆层的温度变化呈一个锯齿状，升温过程近似呈直线上升，降温曲线近似呈双曲线的一支，而多道熔覆过程中，温度场呈后拖的偏椭圆状节点上的热循环经过逐渐增大的峰值，峰值温度最终趋于稳态.0序言激光熔覆按送粉工艺的不同可分为两类•即粉末预置法和同步送粉法.同步送粉法具有易

2、实现自动化控制，激光能量吸收率高，无内部气孔，尤其熔覆金属陶瓷，可以显著提高熔覆层的抗开裂性能，使硬质陶瓷相可以在熔覆层内均匀分布等优点，具有广阔的应用空间.国内学者运用ANSYS对激光熔覆过程的温度场和应力场己经做了大量的研究工作[1-4].冃前通过ANSYS模拟激光熔覆温度场的研究并没有考虑激光束与粉末的交互作用，实际上激光束最先和粉末作用,激光束除了损失的能量以外，一部分被熔覆粉末吸收,另一部分则透过粉末被基体吸收.基体除了直接吸收激光束能量以外，还吸收粉末传递给棊体的能量.因此很冇必要在模拟Z前搞清楚激光能最的分配情况，这样建

3、立起来的模型与实际才更接近,模拟结果更启说服力•文中将粉末到达基体前吸收能量后的温升作为初始温度场加载给基体，同时采用ANSYS中生死单元技术模拟熔覆单元的牛长过程，基体吸收的能量通过高斯体热源加载，模拟送粉激光熔覆的温度场分布情况.在此基础之上，模拟了多道次激光熔覆温度场，对多道激光熔覆温度场进行了研究.1粉末到达基体前的温度粉末在遮挡激光的同时，也吸收了部分激光能量，从而使自身的温度升高.实际上，在不考虑等离子体影响(能量密度低于105W/cm2)情况卜•，粒子直接吸收激光辐射能,并放出辐射能.在空气屮粉末颗粒也会由于空气对流散失

4、能量，粒了之间也会和互加热这些能量在总能量屮的比例很小，目前关于粉末颗粒温升的模型并不多见，而且在模型小需要建立假设条件⑸•为了计算方便，在模型中假设：(1)粉末颗粒在气)粉射流中的体积分数很低，可以忽略激光的反射、折射、颗粒离了Z间的相互加热和光束遮蔽等影响•(2)粉末颗粒是半径为rP的球休.由于粉末颗粒足够小，在能量计算吋将其看成一个点，粒子的热导率为无限人，即认为粉末颗粒的温度是均匀一致的，在迎光而和背光面没冇差异.(3)粉末颗粒只在迎光面吸收能屋，但对外辐射则在整个球体表面发生.⑷粉末不吸收来口基体的反光.由以上假设，根据粒子

5、的能量方程可以求出粉末粒子的温升.方程是非线性方程，使用Matlab软件采用迭代法求解.当激光功率P=2kW时，在1500-1600K范围内方程有解，于是初始值设为T=1500K,通过迭代求出方程的一实根为T=1570K.改变激光功率，得到不同激光功率下粉末离子到达基体时的温度，如图1所示，随着激光功率的增大，粉末粒了达到棊体前的温升逐渐增高,R成近似线性关系增长•当激光功率P=1500W时,计算出粉末粒子温升T=1267K,而Ni60粉末的熔点约为1300K.说明激光功率低于1500W时，粉末达到基体前不会熔化，这样粉末粒子就会以固

6、体颗粒的形式和基体碰撞，飞溅严重，即使是部分粉末颗粒熔化形成熔池，基体熔深也得不到保障;当激光功率P=3.0kW时,T=2111K,这时粉末粒了的温度远人于熔点温度,会造成部分粉末颗粒的烧损.因此，在实际生产中应控制激光功率在一个合理的范围内80010001500200025003000光功率P/W00x)ooo5()ooooo)002086420OA1A11u11ttBJrb桨*虫图1激光功率与粉末粒子温度关系曲线Figi1Relationcurvebetweenlaserpowerandtempera-turerisesofpow

7、derparticles2单道激光熔覆的模型在建立热源模型的过程中，粉末到达基体前与激光朿发生交互作用，激光朿対粉末的作用通过初始温度vT实现，即假设粉末飞行过程屮吸收的有效能量全部用于升温，作为初始温度场施加给熔覆单元•根据Picasso的理论，基体吸收的能虽可分为肯接吸收和粉末热传递两部分，基体直接吸收的热虽通过体热源形式实现.采用APDL语言编制热源的移动过程程序，实际操作中，始终以全局笛卡儿坐标系为求解坐标系，而载荷在局部坐标系下施加，这样通过熔覆方向上的处标变换，实现全局处标向局部处标的转化，即z=Z-vt(1)式中:Z为全

8、局笛卡尔处标系下的坐标;z为局部笛卡尔坐标系下的坐标;v为光源移动速度;t为光源移动时间.采用ANSYS屮生死单元技术模拟熔覆单元的生长过程，在计算开始时刻，所有熔覆层单元均设定为/死0单元.在随后每一步的计算中,首先判