身管材料再制造接箍表面激光淬火數(shù)值分析

余　飛，皇甫列鋒，王　明，隋　珅

(72478部隊(duì)，濟(jì)南 250000)

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身管材料再制造接箍表面激光淬火數(shù)值分析

余飛，皇甫列鋒，王明，隋珅

(72478部隊(duì)，濟(jì)南 250000)

摘要：通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證已知，將退役火炮身管材料應(yīng)用于石油鉆采零部件，在結(jié)構(gòu)和性能方面均具備再制造的可行性。為進(jìn)一步提高退役優(yōu)質(zhì)材料的再利用價(jià)值，對(duì)再制造接箍表面進(jìn)行激光淬火強(qiáng)化處理，并對(duì)其熱響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值分析。建立了環(huán)狀接箍材料的數(shù)值模型，優(yōu)化熱源數(shù)學(xué)表達(dá)模型和加載過(guò)程，計(jì)算分析結(jié)果表明：激光功率增加和掃描速度降低會(huì)提高溫度場(chǎng)最高溫度和增加淬硬厚度，而功率過(guò)高則會(huì)造成表面燒損，進(jìn)一步提高掃描速度雖能降低燒損程度，但同時(shí)會(huì)降低淬硬厚度，從而影響表面強(qiáng)化質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：身管；接箍；激光淬火；數(shù)值模型；溫度場(chǎng)

激光再制造技術(shù)是二十一世紀(jì)先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，極具工業(yè)發(fā)展?jié)摿?。軍用鋼材作為?guó)家的戰(zhàn)略資源，具有批量小規(guī)格多、質(zhì)量要求嚴(yán)格、生產(chǎn)成本高的特點(diǎn)，與普通鋼材相比，其具有強(qiáng)度高、韌性好，耐磨、耐腐蝕，可長(zhǎng)期服役于高溫差、高腐蝕性、燃?xì)鉀_刷和爆炸沖擊等極端復(fù)雜的環(huán)境[1-2]。對(duì)于退役的軍用裝備和零部件，若直接報(bào)廢或回爐則無(wú)法充分利用優(yōu)質(zhì)特種鋼材的價(jià)值，這不僅增加經(jīng)濟(jì)成本，而且給資源和環(huán)境帶來(lái)巨大壓力。因此對(duì)退役的軍用裝備及零部件開(kāi)展綠色再制造研究具有較大的開(kāi)發(fā)潛力。

目前為止，對(duì)于軍工材料再制造的研究還鮮有報(bào)道。石油石化領(lǐng)域的設(shè)備通常在各種惡劣的環(huán)境下工作，在井下及海水中長(zhǎng)期受到磨損及腐蝕破壞，零部件易發(fā)生破壞失效，影響油田的作業(yè)效率，甚至?xí)绊懹吞锏恼＿\(yùn)營(yíng)，而軍用材料適應(yīng)惡劣環(huán)境的各種優(yōu)良特性正好可以滿(mǎn)足石油石化行業(yè)零部件的使用性能要求。因此，研究利用退役軍用裝備和零部件再制造生產(chǎn)石油石化零部件可充分挖掘軍用材料的潛能，有效降低資源消耗，提高材料的經(jīng)濟(jì)效益及油田的生產(chǎn)效益。

為驗(yàn)證退役火炮身管(以下簡(jiǎn)稱(chēng)身管)再制造生產(chǎn)石油石化行業(yè)零部件的可行性，本文參考石油裝備相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)退役火炮身管的結(jié)構(gòu)尺寸、化學(xué)成分、抗沖擊性能、拉伸性能、硬度等參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析研究[3]。從結(jié)構(gòu)尺寸分析表明身管可用來(lái)再制造生產(chǎn)規(guī)格小于身管自身尺寸的接箍等油田作業(yè)零部件；身管含有API標(biāo)準(zhǔn)中要求的所有元素，元素含量符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且Ni、P兩種元素的含量明顯高于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，這使得身管材料的強(qiáng)度、韌性和耐腐蝕能力均優(yōu)于API標(biāo)準(zhǔn)中的材料[4-5]；拉伸試驗(yàn)表明，身管抗拉強(qiáng)度為1 039～1 095MPa，拉伸屈服強(qiáng)度為942～975MPa，其拉伸性能優(yōu)于API標(biāo)準(zhǔn)中的C95級(jí)鋼，接近Q125級(jí)鋼；夏比沖擊試驗(yàn)表明，身管的抗沖擊性能接近API標(biāo)準(zhǔn)中Q125級(jí)鋼的使用性能要求；身管硬度檢測(cè)值為35.8～36.0HRC，其值大于API標(biāo)準(zhǔn)中有硬度參考值的最優(yōu)鋼級(jí)T95級(jí)鋼，硬度的提高標(biāo)志著耐磨性的提高。綜上研究結(jié)果表明，身管材料的使用性能優(yōu)于C95級(jí)鋼，接近Q125級(jí)鋼的使用性能。因此，身管滿(mǎn)足再制造石油石化零部件的要求，尤其適合生產(chǎn)油管接箍和扶正器等尺寸規(guī)格較小的零部件。

通過(guò)試驗(yàn)分析可知，退役身管可作為性能優(yōu)良的原材料再制造石油石化零部件，但油田作業(yè)環(huán)境惡劣，工況復(fù)雜，零部件極易因磨損、腐蝕等原因破壞失效，提高零部件耐磨、耐蝕能力進(jìn)而延長(zhǎng)使用壽命成為亟待解決的問(wèn)題。因此，有必要進(jìn)一步提高身管再制造零部件的表面性能，以便提高再制造零部件的使用性能，延長(zhǎng)使用壽命，充分挖掘軍用鋼材的使用價(jià)值。激光淬火具有快速加熱快速冷卻、受熱面積小的特點(diǎn)，激光淬火后零件表面可獲得足夠厚的高硬層，而內(nèi)部材料依然保持優(yōu)良的韌塑性，因此激光淬火技術(shù)自問(wèn)世以來(lái)就得到制造業(yè)的關(guān)注并進(jìn)行了一定的探索應(yīng)用。赫慶坤等對(duì)接箍表面進(jìn)行激光淬火處理，采用微觀形貌分析與力學(xué)性能測(cè)試方法探索激光表面處理后接箍的磨損失效機(jī)制，提高了接箍的使用壽命[6]。張宏等提出了齒輪激光表面強(qiáng)化的偏置技術(shù)、變速掃描技術(shù)和輔助冷卻技術(shù)，獲得了沿齒廓分布的均勻硬化層，在保證齒輪不變形的情況下提高了齒輪的表面性能[7]。本文在已有試驗(yàn)分析基礎(chǔ)上，利用有限元分析方法探究激光淬火技術(shù)基于身管再制造零部件的應(yīng)用，分析激光參數(shù)對(duì)淬火技術(shù)的影響，為身管再制造零部件性能的再提高提供理論參考。

1激光表面淬火有限元模型

考慮到激光加工為小面積連續(xù)掃描加工，除了工件始、末端外，中間部分每個(gè)掃描單元的熱響應(yīng)規(guī)律相同。若對(duì)身管制造的接箍整個(gè)表面進(jìn)行分析將耗費(fèi)大量的時(shí)間，因此為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本文只取內(nèi)徑為40mm，外徑為50mm，長(zhǎng)度為40mm的管壁進(jìn)行分析，又因管材為軸對(duì)稱(chēng)材料，因此選擇該段圓管的1/2進(jìn)行分析計(jì)算。為提高模型的計(jì)算效率，作如下假設(shè)：

1)環(huán)境穩(wěn)定，忽略身管與環(huán)境的耦合作用。

2)身管材料具有各向同性，導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、對(duì)流系數(shù)等熱物性參數(shù)隨溫度變化。

3)除被加工表面外，忽略其余側(cè)面與環(huán)境的對(duì)流換熱。

1.1熱物性參數(shù)的確定

本文采用熱流密度分布比較均勻的矩形光斑，光斑尺寸為10mm×1mm。材料密度為ρ=7 850kg/m3，泊松比μ=0.25，其余熱物性參數(shù)：比熱容C、導(dǎo)熱系數(shù)K、對(duì)流系數(shù)H以及彈性模量E隨溫度的變化規(guī)律參考文獻(xiàn)[8-10]。鋼對(duì)激光的吸收率較低，一般為10%左右，所以實(shí)際加工過(guò)程中需要對(duì)工件表面進(jìn)行黑化處理，文中取黑化后激光吸收系數(shù)λ=0.60[11]。

1.2建模過(guò)程

結(jié)合以上分析建立激光單道掃描淬火模型，淬火過(guò)程示意如圖1所示，激光束作用于工件表面并沿v方向掃描。

圖1　激光淬火示意

為保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，選擇合適的單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)有限元單元的特點(diǎn)，本文選取三維八節(jié)點(diǎn)六面體熱單元solid70對(duì)模型進(jìn)行劃分。solid70具有三個(gè)方向的熱傳導(dǎo)能力，便于進(jìn)行三維靜態(tài)和瞬態(tài)熱分析，同時(shí)solid70在結(jié)構(gòu)分析時(shí)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成solid45結(jié)果單元。為了實(shí)現(xiàn)同時(shí)輸入熱流密度和對(duì)流換熱，在淬火層上表面覆蓋一層surf152三維表面效應(yīng)單元。同樣，為了較真實(shí)地模擬工件在工作臺(tái)上的情景，在工件底面設(shè)置桌面接觸。模型中淬火區(qū)和相鄰淬火區(qū)的部分是重點(diǎn)分析和關(guān)注的區(qū)域，為了提高計(jì)算精度和效率，需要細(xì)化淬火區(qū)的網(wǎng)格密度，從淬火區(qū)到模型外側(cè)網(wǎng)格由密到疏分布。模型如圖2所示，共計(jì)86 000個(gè)單元。

圖2　激光淬火模型

1.3初始和邊界條件

淬火開(kāi)始時(shí)，身管與周?chē)h(huán)境處于相同溫度T0，激光淬火初始條件為：

Tt=0=T(x,y,t)

(1)

初始溫度T0設(shè)為20 ℃，計(jì)算出淬火模型在室溫下的狀態(tài)作為模型的初始邊界條件，初始邊界條件施加給模型整個(gè)外表面?？紤]到激光加工具有快速加熱快、速冷卻和受熱面積小的特點(diǎn)，模型的底面和4個(gè)側(cè)面設(shè)為絕熱面，僅模型上表面考慮與環(huán)境的對(duì)流換熱和輻射作用，模型的換熱系數(shù)取10W/(m2·℃)[12]。

模型的熱流密度以移動(dòng)線(xiàn)熱源的方式加載，模型表面吸收的熱流密度為：

(2)

式中：P為激光功率，L為矩形光斑長(zhǎng)度，W為矩形光斑寬度，η為激光吸收系數(shù)。

2激光表面淬火過(guò)程熱響應(yīng)規(guī)律分析

依據(jù)上述分析，將邊界和載荷依次施加到模型中，對(duì)整個(gè)模型分析處理，探求身管再制造零部件激光表面淬火的溫度場(chǎng)和應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的響應(yīng)規(guī)律，為身管再制造零部件激光淬火的實(shí)現(xiàn)提供理論支持。

2.1淬火溫度場(chǎng)分析

首先，分析激光功率對(duì)淬火溫度場(chǎng)的影響。取激光功率為500、800、1 000、1 200和1 500W，掃描速度v=10mm/s進(jìn)行分析。圖3為功率P=1 500W時(shí)，時(shí)間t為0.5、7.85、15.7和315.7s時(shí)的溫度場(chǎng)分布云圖。

a　0.5 s

b　7.85 s

c　15.7 s

d　315.7 s

激光溫度場(chǎng)呈帶有長(zhǎng)尾的帶狀分布，光斑中心溫度較高邊緣溫度較低，這是由于光斑被冷基體包圍，邊緣散熱速度大于光斑中心散熱速度造成的。由圖3a和3b可以看出，溫度場(chǎng)在0.5s時(shí)基本達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定后的溫度場(chǎng)最高溫度大約為1 367 ℃，光斑中心溫度最高；冷卻300s后工件基本冷卻至室溫，在淬火開(kāi)始的時(shí)候溫度場(chǎng)最高溫度較低，而在淬火結(jié)束時(shí)溫度場(chǎng)最高溫度很高，1 500W功率下最高溫度為1 625.95 ℃。這是由于淬火開(kāi)始時(shí)基體溫度較低，溫度通過(guò)基體和空氣同時(shí)散熱，散熱速度較快；而在淬火結(jié)束的位置由于已淬火區(qū)域基體溫度較高，熱量主要通過(guò)空氣擴(kuò)散，大量的熱量積累造成末端溫度升高；由圖3可知，沿掃描方向矩形光斑的前端溫度較高，等溫線(xiàn)分布密集，矩形光斑的后端溫度較低，等溫線(xiàn)分布稀疏。

2.2淬火參數(shù)及淬硬深度分析

取淬火區(qū)yz截面上表面的中心點(diǎn)A進(jìn)行研究，探討激光淬火的最佳工藝參數(shù)范圍，不同功率和掃描速度下淬火溫度隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)如圖4～5所示。參考現(xiàn)有激光參數(shù)的研究，圖4的掃描速度選10mm/s，圖5的激光功率選1 000W。

圖4　不同功率下的溫度曲線(xiàn)

圖5　不同掃描速度下的溫度曲線(xiàn)

由圖4發(fā)現(xiàn)，A點(diǎn)的溫度在約7.85s時(shí)迅速達(dá)到最高點(diǎn)，之后又急速降低，這反映了激光加工急冷急熱的特性，且隨功率的增大，A點(diǎn)的最高溫度也增大。因此功率越大光斑處所達(dá)到的溫度也越高，相應(yīng)的淬硬層越厚。而淬火是在一定溫度下進(jìn)行的，溫度太低則淬硬層太薄而達(dá)不到要求，溫度太高則會(huì)造成工件表面燒損。對(duì)于鋼材淬火溫度一般在相變溫度Ac1以上30～50 ℃，根據(jù)身管材料的熱學(xué)特性可知，身管材料的相變溫度Ac約為780 ℃[13]，同時(shí)激光加工具有急冷急熱的特性，造成材料的相變溫度向高溫區(qū)域移動(dòng)[14]，綜合分析各學(xué)者的研究可知，身管激光淬火的淬火溫度在900 ℃左右。當(dāng)激光功率小于1 000W時(shí)，工件所能達(dá)到的最高溫度小于900 ℃，無(wú)法形成有效的淬硬層；當(dāng)功率大于1 200W時(shí)，工件所能達(dá)到的最高溫度將超過(guò)1 200 ℃，該溫度接近鋼的熔點(diǎn)，容易造成工件表面燒損。因此，在掃描速度為10mm/s的工況下最佳激光功率為1 000 ～1 200W。

由圖5可知，掃描速度越快工件所能達(dá)到的溫度越低，掃描速度越慢工件所能達(dá)到的溫度越高。掃描速度越慢單位時(shí)間內(nèi)單位面積工件表面所吸收的激光能量越高，反之所吸收的激光能量就越低。當(dāng)掃描速度大于12mm/s時(shí)工件所能達(dá)到的最高溫度小于800 ℃，無(wú)法形成有效的淬火層。當(dāng)掃描速度低于8mm/s時(shí)，工件溫度將高于1 150 ℃，可能會(huì)對(duì)工件表面造成燒損。由5mm/s時(shí)最高溫度為1 200 ℃可知，較小的激光功率和較慢的掃描速度依然能夠達(dá)到淬火要求，但是過(guò)低的掃描速度將降低加工效率。因此，在激光功率為1 000W時(shí)的最佳掃描速度為8～12mm/s。

為分析不同激光加工參數(shù)對(duì)淬硬層厚度的影響，取通過(guò)A點(diǎn)且沿y軸負(fù)方向的路徑line進(jìn)行研究。不同功率和掃描速度下淬火溫度沿路徑line的變化曲線(xiàn)如圖6～7所示。為分析速度變化對(duì)淬硬深度的影響，將圖7的激光功率設(shè)為1 500W。

圖6　不同功率下沿路徑的溫度變化曲線(xiàn)

圖7　不同掃描速度下沿路徑的溫度變化曲線(xiàn)

由圖6可知，固定掃描速度下，隨著激光功率的增加，淬硬厚度逐漸增大，且根據(jù)材料的相變溫度，在激光功率1 200W，掃描速度10mm/s時(shí)淬硬厚度約為0.4mm。若繼續(xù)增大激光功率，相應(yīng)的必需增大掃描速度，否則會(huì)造成工件表面燒損。由圖7可知，固定激光功率下，隨著掃描速度的增加，淬硬厚度逐漸減小，且根據(jù)材料相變溫度，在激光功率1 500W，掃描速度15mm/s時(shí)淬硬厚度約為0.25mm。對(duì)比發(fā)現(xiàn)其淬硬厚度小于激光功率1 200W、掃描速度10mm/s工況，雖然加工效率得到提高但淬硬厚度降低。這是因?yàn)殡m然提高激光功率增加了光斑的能量密度，但是相應(yīng)速度的提高卻減少了光斑在某一點(diǎn)停留的時(shí)間，這將造成熱量不能及時(shí)向line方向傳遞而通過(guò)縱向冷基體和空氣散失。所以，增大掃描速度，雖然能提高加工效率但會(huì)造成能源浪費(fèi)和加工質(zhì)量降低。綜合以上分析，得出針對(duì)身管再制造零部件激光表面淬火的最佳激光參數(shù)為激光功率約1 200W，掃描速度約10mm/s。

3結(jié)論

1)簡(jiǎn)化并建立了激光淬火模型，并通過(guò)設(shè)定合適的邊界條件、物性參數(shù)以及細(xì)化模型局部的網(wǎng)格來(lái)提高模型的可靠性。

2)隨激光功率的增加或激光掃描速度的降低，激光淬火的溫度場(chǎng)的最高溫度升高，但過(guò)高的激光功率和過(guò)低的激光掃描速度都會(huì)造成工件表面燒損，過(guò)低的掃描速度會(huì)降低加工效率。

3)隨激光功率的增大工件淬硬厚度增加，在較高激光功率下可以通過(guò)增加激光掃描速度保證工件表面不被燒損，但激光掃描速度的增加減少了光斑在某點(diǎn)停留的時(shí)間，造成淬硬厚度的降低。

4)通過(guò)激光參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)和淬硬厚度的分析并綜合加工效率和能量利用率，得出基于身管再制造零部件的激光淬火參數(shù)為激光功率約1 200W，掃描速度約10mm/s。

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NumericalAnalysisofLaserSurfaceHardeningonCouplingMadeFromRetiredGunTube

YUFei，HUANGFULiefeng，WANGMing，SUIKun

(72478 Troops，Jinan 250000，China)

Abstract：According to the experiment，the retired gun tube material has remanufacturing feasibility in oil drilling components in terms of structure and performance.In order to further excavate the recycling value of the retired high quality material，process the coupling surface with laser quenching strengthening technology，and then explore its thermal response characteristic using numerical method.The numerical model of the circular coupling material was established to optimize the heat source mathematical expression and the loading process.The calculation results show that：the highest temperature in temperature field and the hardening thickness increases with the increasing of laser power and the decreasing of scanning speed，it will cause surface burning if the power is too high.To further improve the scan speed can reduce the damage degree，but the hardening thickness decreasing at the same time，thus affect the Surface hardening quality.

Keywords：gun tube；coupling；laser quenching；numerical model；temperature field

文章編號(hào)：1001-3482(2016)06-0084-06

收稿日期：2016-01-22

作者簡(jiǎn)介：余飛(1976-)，男，河南商城人，工程師，從事報(bào)廢裝備金屬利用技術(shù)工作，E-mail：xhs72478@163.com。

中圖分類(lèi)號(hào)：TE931.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.06.019