離焦量對中空環(huán)形激光熔覆層溫度場及應(yīng)力場的影響

李廣琪 朱剛賢 王麗芳 趙 亮 石世宏

1.蘇州大學(xué)機電工程學(xué)院，蘇州，215021

2.蘇州大學(xué)工程訓(xùn)練中心，蘇州，215021

0 引言

激光熔覆具有冷卻快、涂層稀釋率低、變形小、粉末選擇幾乎沒有限制、熔覆層厚度可控范圍大和工藝過程易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，并可顯著改善基體表面耐磨、耐蝕、耐熱及抗氧化等特性而得到廣泛應(yīng)用[1]。激光熔覆過程中，局部熱輸入必然導(dǎo)致不均勻的溫度場，產(chǎn)生大的溫度梯度，且冷卻后極易在熔覆層內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力，而高殘余應(yīng)力易導(dǎo)致零件變形及裂紋，影響成形件的力學(xué)性能[2]，因此如何解決熔覆層殘余應(yīng)力問題一直是激光熔覆領(lǐng)域的研究熱點。目前對激光熔覆層殘余應(yīng)力的研究大多基于高斯熱源下的數(shù)值模擬。YAN等[3]探究了工藝參數(shù)對激光熔覆316L不銹鋼熔覆層變形的影響，發(fā)現(xiàn)降低送粉速率與激光功率可以減小熔覆層殘余應(yīng)力及變形。ZHU等[4]探究了激光離焦量與粉末聚焦特性對激光直接金屬沉積表面質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)粉末聚焦點位于基材下方且激光聚焦點在基材上方時的成形件表面質(zhì)量較好。WANG等[5]通過有限元法研究了激光熔覆TI-6Al-4V金屬粉末過程中的工藝參數(shù)對熱行為的影響，發(fā)現(xiàn)采用低激光功率、高掃描速度會導(dǎo)致零件產(chǎn)生裂紋傾向。李亞敏等[6]針對45鋼表面激光熔覆Inconel718合金進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明隨著離焦量的增大，熔池最高溫度降低，稀釋率變小，成形效果更優(yōu)。

上述研究都是基于高斯熱源熔覆方式，通過優(yōu)化工藝參數(shù)來調(diào)控熔覆層內(nèi)應(yīng)力、減小基材變形。高斯熱源能量集中在光斑中心，遠(yuǎn)離光斑中心的邊緣部分能量較低，溫度梯度較大，容易引發(fā)大的內(nèi)應(yīng)力，不利于形成平整的熔覆層，降低了成形件的表面精度和力學(xué)性能。為消除高斯熱源熔覆時產(chǎn)生的不平整，基于光內(nèi)送粉激光熔覆工藝，利用光內(nèi)送粉噴頭裝置消除高斯實心光斑熔覆時造成的熔道邊緣塌陷現(xiàn)象，彌補高斯熱源下冶金結(jié)合性差的不足[7]，但熔覆層溫度與應(yīng)力在這種新型熔覆工藝下的分布規(guī)律尚缺乏研究。離焦量作為激光熔覆的重要工藝參數(shù)之一，直接決定進(jìn)入熔池的激光能量及光斑大小，對熔覆層成形質(zhì)量有顯著影響。基于此，筆者利用數(shù)值模擬，對不同離焦量下的單道熔覆層溫度場、應(yīng)力場進(jìn)行了研究并對熔覆層深度方向上的殘余應(yīng)力進(jìn)行實驗驗證，以掃描方向殘余應(yīng)力為參考指標(biāo)，獲得了最佳離焦量。

1 中空環(huán)形激光熔覆有限元模型

1.1 中空環(huán)形光斑產(chǎn)生機理

光內(nèi)送粉原理如圖1a所示，平行激光束通過雙環(huán)形-錐形鏡進(jìn)行聚焦形成中空環(huán)形光斑，高能量集中區(qū)域從中心變?yōu)橥饩?，能量分布呈馬鞍形，如圖1b所示。送粉管包裹在激光束中，粉末可以垂直落入熔池避免發(fā)散飛濺，實現(xiàn)粉斑與光斑同心、粉末流與激光束同軸，有利于提高粉末利用率。

(a)環(huán)形光光內(nèi)送粉原理

1.2 激光能量數(shù)學(xué)模型

能量在環(huán)形區(qū)域內(nèi)呈“類高斯”分布，負(fù)離焦(指的是熔覆過程中，光斑作用平面位于焦點位置之上)區(qū)域內(nèi)的中空激光能量密度函數(shù)為[8]

(1)

式中，qz(x,y)為激光光斑在掃描過程中點(x,y)處的能量密度；P為激光器功率；η為激光吸收效率；R0為激光在焦點位置處的外徑；z為離焦量；φ為中空激光束與水平面的夾角；ξ為能量峰位置系數(shù)，考慮到光頭結(jié)構(gòu)，ξ=0.5；RA為環(huán)形光斑內(nèi)徑，RA=zcotφ；RB為環(huán)形光斑外徑，RB=RA+R0。

由式(1)可知，在函數(shù)法加載過程中，只需要確定離焦量，即可確定點(x,y)處所加載的能量。z=0時，中空激光能量滿足高斯分布。

2 基本假設(shè)

激光熔覆過程是一個急冷急熱的瞬態(tài)過程，熔池的產(chǎn)生與凝固都在極短的時間內(nèi)完成，實際的熔覆層尺寸較小，為簡化模型、方便計算，對模型做以下假設(shè)：①熔覆層與基體材料都近似為一個規(guī)則的長方體，各截面為規(guī)則的長方形；②基體材料與熔覆層材料都具有各向同性[9]；③熔覆過程不會引起材料的汽化；④材料密度不隨溫度變化；⑤不考慮熔池的流動作用對熔覆層的影響[10]。

2.1 材料熱物理性能

查閱文獻(xiàn)[11-13]并利用插值法獲得316L不銹鋼(密度ρ=8×103kg/m3，泊松比ν=0.3，熱膨脹系數(shù)α1=15.3×10-6K-1)的熱物理參數(shù)(溫度T、比熱容c、熱導(dǎo)率λ)和力學(xué)性能參量(彈性模量E、屈服應(yīng)力σ、材料的切線模量E′)，如表1、表2所示。

表1 316L不銹鋼的熱物理參數(shù)

表2 316L不銹鋼的力學(xué)參數(shù)

2.2 幾何建模與網(wǎng)格劃分

基板及熔覆層物理模型如圖2所示，其中，基板尺寸為50 mm×50 mm×8 mm，熔覆層長30 mm、高0.4 mm，離焦量為0、-1 mm、-2 mm、-3 mm、-4 mm時，熔覆層對應(yīng)寬度分別為1.0 mm、1.6 mm、2.2 mm、2.7 mm、3.2 mm。熔覆層單元為六面體，單元尺寸為0.3 mm×0.3 mm×0.1 mm。熔覆層及臨近區(qū)域網(wǎng)格劃分較細(xì)，遠(yuǎn)離熔覆層區(qū)域網(wǎng)格劃分較粗。

(a)有限元模型整體圖(b)熔覆層局部放大圖

2.3 定義路徑

為探究不同方向的中空環(huán)形激光熔覆不同離焦量時的溫度場與應(yīng)力場的分布規(guī)律，以熔覆層表層中心節(jié)點O為起點，建立圖3所示的3條路徑， 其中，路徑1沿熔覆層深度方向，路徑2沿熔覆層寬度方向，路徑3沿激光掃描方向。

圖3 熔覆層上路徑示意圖

3 計算結(jié)果及分析

3.1 溫度場計算結(jié)果

3.1.1溫度場分布云圖

通過計算可知，熔覆層激光掃描時間為4.85 s，掃描完成1000 s后，熔覆層冷卻至室溫。圖4是不同離焦量的激光掃描至2.5 s時的溫度分布圖和光斑中心橫截面等溫線圖。

溫度場 橫截面溫度分布(a)z=0

由圖4可知，離焦量為0時，激光光斑形狀為實心圓，能量呈高斯函數(shù)分布，集中在焦點，因此光斑中心的溫度較高，達(dá)到2809 ℃，邊緣溫度較低，橫截面溫度分布呈現(xiàn)V形，接合面溫度達(dá)到1700 ℃，這表明熔覆層與基材冶金接合效果較好；但中心與邊緣溫差較大，易引起高的熱應(yīng)力。離焦量為-1 mm時，光斑形狀接近實心圓，最高溫度達(dá)到3312 ℃，這是因為光斑接近焦點，能量較為集中，且熔池在短時間內(nèi)經(jīng)過兩次高溫加熱，因此溫度較高。橫截面高溫區(qū)域呈對稱的W形，兩側(cè)溫度高、中間區(qū)域溫度低，熱影響區(qū)較大，熔覆層與基材接合面處溫度達(dá)到2000 ℃，冶金結(jié)合效果較好。隨著離焦量增大，光斑直徑增大，中空區(qū)域所占比增大，根據(jù)激光能量密度計算公式H=P/(Dv)(其中，H為激光能量密度，P為激光功率，D為光斑直徑，v為激光掃描速度)可知，在激光功率和掃描速度保持恒定的前提下，光斑直徑越大，激光能量密度越低，因此峰值溫度逐漸降低，如圖5所示。離焦量達(dá)到-4 mm時，橫截面熔覆層表層高溫區(qū)域W形分布逐漸消失，熱影響區(qū)縮小，高溫區(qū)域集中在熔覆層邊緣，中間溫度較低且低于材料熔點，在熔覆過程中容易出現(xiàn)熔道欠熔，冶金結(jié)合效果變差。

圖5 不同離焦量下的溫度峰值

3.1.2節(jié)點溫度-時間曲線

(a)離焦量為0

圖6所示為熔覆層上表面中心O的節(jié)點溫度-時間曲線，可以看出，不同離焦量時節(jié)點O的溫度變化曲線趨勢一致，即在未掃描到該節(jié)點位置時，溫度較低，為室溫；激光掃描到該節(jié)點時，溫度快速上升，迅速達(dá)到溫度峰值；激光離開節(jié)點后，溫度迅速下降，這表明激光掃描是一個急熱急冷的過程。離焦量為0時，光斑為圓形實心光斑，節(jié)點在整個掃描過程中經(jīng)歷了一次溫度峰值，然后溫度迅速降低；采用負(fù)離焦量時，節(jié)點在整個掃描過程經(jīng)歷了兩次溫度峰值，且第二次溫度峰值大于第一次溫度峰值。這是因為在掃描過程中，光斑后半環(huán)區(qū)域能量較高，熔池邊緣區(qū)域的熱量可以得到有效補償。隨著離焦量的增大，溫度峰值逐漸減小，無光區(qū)域面積增大，兩個溫度峰值之間的時間間隔加大。

3.1.3溫度梯度分布

圖7所示為激光經(jīng)過熔覆層上表面O點時，不同離焦量下路徑1上各個方向的溫度梯度。由圖7a可知，X方向、Y方向上的溫度梯度較小，不同離焦量下的X方向溫度梯度在0附近，溫度梯度較小。由圖7b可知，Y方向的溫度梯度隨熔覆層深度增大而減小，在熔覆層與基體接合面處達(dá)到最??；隨著深度繼續(xù)增大，Y方向的溫度梯度線性增大；隨著離焦量的增大，Y方向的溫度梯度逐漸減小。由圖7c可知，Z方向的溫度梯度明顯大于X方向、Y方向的溫度梯度，這表明熔池的熱量散失主要沿高度方向。離焦量為0時，Z方向溫度梯度最大值位于熔覆層表層，為5.6×106K/m。隨著熔覆層深度的增大，溫度梯度逐漸減小。離焦量為負(fù)值時，光斑形狀為環(huán)形，能量集中在邊緣，激光熱作用的熱積聚效應(yīng)使光斑中心區(qū)域能量保持較高，能量分布較為均勻，因此溫度梯度較??；Z方向溫度梯度隨著熔覆層深度增大而增大，在熔覆層與基體接合面處達(dá)到最大值。這是因為在接合面處，基材導(dǎo)熱能力較強，熔池冷卻速率加快。接合面處溫度梯度過大，容易導(dǎo)致應(yīng)力集中，產(chǎn)生裂紋。隨著離焦量的增大，溫度梯度逐漸減小，這是因為離焦量增大導(dǎo)致中空無光區(qū)域所占比增大，熱傳導(dǎo)作用減弱，單位長度上的溫差減小，溫度梯度下降。

(a)X方向溫度梯度分布

3.2 應(yīng)力場計算結(jié)果

3.2.1應(yīng)力分布云圖

圖8所示為冷卻1000 s后的X方向與Y方向的殘余應(yīng)力分布，可知不同離焦量時，X方向殘余應(yīng)力都呈對稱分布，熔覆層殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力及輕微的拉應(yīng)力，這是因為熔覆層寬度有限，在冷卻收縮過程中受到的變形阻力較小，因此拉應(yīng)力較小，最大殘余拉應(yīng)力出現(xiàn)在熔覆層與基體交界處兩側(cè)；Y方向殘余的拉應(yīng)力主要集中在熔覆層且應(yīng)力較大，最大值達(dá)到270 MPa，這是因為激光掃描方向的長度較大，冷卻收縮過程中受到已凝固熔覆區(qū)的約束阻力較大，因此熔覆層上Y方向的拉應(yīng)力(226～305 MPa)遠(yuǎn)大于X方向的拉應(yīng)力(5.83～133 MPa)。

(a)X方向(z=0)(b)Y方向(z=0)

3.2.2不同路徑下的應(yīng)力分布規(guī)律

由上述分析可知沿激光掃描方向的殘余應(yīng)力為最大應(yīng)力，這與文獻(xiàn)[14]的結(jié)論一致。本文主要探究激光掃描方向(Y方向)的殘余應(yīng)力分布，以冷卻1000 s后熔覆層中心位置截面為研究對象。圖9a所示為殘余應(yīng)力沿路徑2的分布，圖9b所示為殘余應(yīng)力沿路徑1的分布。

(a)路徑2上的殘余應(yīng)力分布

由圖9a可知，離焦量不同時，殘余應(yīng)力在路徑2上的分布規(guī)律大致一致，關(guān)于熔覆區(qū)域中心呈對稱分布。離焦量為0時，熔覆層熱影響區(qū)應(yīng)力較小，熔覆區(qū)域殘余應(yīng)力較大，應(yīng)力由壓應(yīng)力迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，并呈拋物線分布，熔覆區(qū)域中心的殘余應(yīng)力達(dá)到245 MPa。離焦量為負(fù)值時，整個路徑上的殘余應(yīng)力都為拉應(yīng)力。殘余應(yīng)力由基材到熔覆層先增大、后減小、再增大，最大殘余應(yīng)力出現(xiàn)在基材區(qū)域，達(dá)到196 MPa；熔覆區(qū)域殘余應(yīng)力分布較為均勻，最大值為182 MPa。隨著離焦量的增大，熔覆層區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力逐漸增大，這是因為離焦量增大時，光斑直徑增大，光斑中心到兩側(cè)高能量區(qū)域的距離增大，導(dǎo)致單位長度內(nèi)的溫差增大。凝固收縮時，較大溫度梯度容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此殘余應(yīng)力逐漸增大。通過對比可知，離焦量為負(fù)值時，應(yīng)力分布更加均勻，殘余應(yīng)力梯度變化更為平緩，熔覆層殘余應(yīng)力較離焦量為0時明顯減小，有利于獲得成形質(zhì)量良好的零件。

由圖9b可知，當(dāng)離焦量為0時，隨著熔覆層深度增大，Y方向殘余應(yīng)力逐漸增大，并在熔覆層與基體接合面處達(dá)到最大值290 MPa；離焦量為負(fù)值時，Y方向殘余應(yīng)力隨深度增大逐漸減小，在熔覆層表面有最大值，且隨離焦量增大，殘余拉應(yīng)力逐漸減小，主要是因為離焦量的增大擴大了中空無光區(qū)域，導(dǎo)致中空區(qū)域能量下降，熱傳導(dǎo)能力減弱，因此深度方向上單位長度內(nèi)的溫差較小，不易形成應(yīng)力集中，這與圖6c所示的溫度梯度隨離焦量增大而減小的規(guī)律一致，證明了結(jié)論的正確性。離焦量為負(fù)值時的殘余應(yīng)力最大值為253 MPa，小于離焦量為0時的應(yīng)力，再次證實了中空環(huán)形激光光斑能量分布的合理性。

圖10所示為不同離焦量下路徑1上Y方向殘余應(yīng)力最大值的分布。由圖10可知，隨著離焦量增大，Y方向殘余應(yīng)力最大值減小。離焦量為-4 mm時，最大應(yīng)力為226 MPa，比離焦量為0的最大應(yīng)力290 MPa減小了22.1%，可見增大離焦量可以有效減小殘余應(yīng)力。

圖10 路徑1上的殘余應(yīng)力最大值

4 實驗測定殘余應(yīng)力分布

4.1 實驗材料及方法

本文中的基材與熔覆層材料均為316L不銹鋼，實驗采用2KW-IPG光纖激光器、KUKA機器人系統(tǒng)控制單元，送粉載氣和保護(hù)氣均選用氮氣。單道激光熔覆實驗參數(shù)的如表3所示。采用光內(nèi)同軸送粉可調(diào)離焦噴頭，分別將離焦量調(diào)至0、-1 mm、-2 mm、-3 mm、-4 mm，分析不同離焦量下的熔覆層應(yīng)力分布規(guī)律。

表3 激光熔覆工藝參數(shù)

4.2 實驗結(jié)果及分析

不同離焦量的激光熔覆試樣如圖11所示。采用X射線應(yīng)力測定儀X-350A對試樣進(jìn)行測定。為獲得路徑1的Y方向殘余應(yīng)力，采用飽和NH4Cl溶液對試樣進(jìn)行逐層剝離電解拋光，逐層測量熔覆層殘余應(yīng)力，結(jié)果如圖9b所示，仿真結(jié)果如圖12所示。

圖11 不同離焦量下單道熔覆實驗

圖12 Y方向殘余應(yīng)力的實驗測量結(jié)果

由圖9b實驗測定結(jié)果可知，整個熔覆層區(qū)域殘余應(yīng)力均為拉應(yīng)力，殘余應(yīng)力實驗結(jié)果與仿真結(jié)果的分布趨勢一致，驗證了數(shù)值模擬的正確性，同時也看出實驗結(jié)果與仿真結(jié)果存在一些差異。一方面是因為有限元模型網(wǎng)格由于計算條件的限制，不能劃分太細(xì)，導(dǎo)致計算產(chǎn)生誤差；另一方面樣件在實驗剝離過程中有測量誤差，因此仿真結(jié)果與實驗結(jié)果存在差異。

5 結(jié)論

(1)中空環(huán)形激光熔覆層溫度峰值隨離焦量增大而逐漸減小，離焦量為負(fù)值時，熔覆層溫度分布更均勻，溫度梯度較小。

(2)離焦量為0時，熔覆層Y方向的殘余應(yīng)力隨著深度增大而增大，在熔覆層與基材接合面處有最大值290 MPa。離焦量為負(fù)值時，殘余應(yīng)力隨深度增大而減小，在熔覆層上表面有最大值；隨離焦量的增大，殘余應(yīng)力逐漸減小。

(3)離焦量為負(fù)值時，熔覆層Y方向殘余應(yīng)力最大值較0離焦量時均有減小，由此可見，采用負(fù)離焦量可顯著減小熔覆層內(nèi)的殘余拉應(yīng)力，離焦量為-4 mm時的最大殘余拉應(yīng)力比離焦量為0時的最大殘余拉應(yīng)力減小22.1%，更利于獲得力學(xué)性能良好的成形件。