變壁厚銅鋅合金管激光熔覆應(yīng)力場數(shù)值模擬分析

魏坤坤，黃 勇，，郭 輝 ，李 強 ，馬文濤

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆工程學(xué)院 機電工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830023)

0 引言

銅和銅合金是與人類生活和工業(yè)生產(chǎn)有著緊密聯(lián)系的重要金屬材料之一,它具有優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、耐腐蝕性能和良好的機械加工性能等,被廣泛應(yīng)用于交通運輸、冶金、微電子以及國防工業(yè)等領(lǐng)域[1-3]，但是純銅和銅鋅合金在硬度和耐磨性方面性能較差，影響了它的實際應(yīng)用[4]。采用表面強化技術(shù)可以提高銅合金的硬度和耐磨性能，而目前表面改性技術(shù)主要有電鍍、熱噴涂和激光熔覆技術(shù)。電鍍技術(shù)具有一定的局限性,如制備周期長、鍍材有限、污染環(huán)境等[5]；熱噴鍍技術(shù)與基體是機械結(jié)合不是冶金結(jié)合，因為結(jié)合強度低，受到較大摩擦?xí)r會出現(xiàn)剝落問題[6]；激光熔覆技術(shù)可以制備與基體冶金結(jié)合的涂層，使表面結(jié)合強度達到最大，同時該技術(shù)具有功率大、能量集中、快速融化基體和粉末快速凝固、綠色無污染等優(yōu)良特性，目前在表面強化和修復(fù)中得到廣泛應(yīng)用[7-9]。通過對銅基體預(yù)熱300 ℃后使用CO2激光器在3.2 kW輸出功率下獲得了冶金結(jié)合的熔覆層,可知預(yù)熱可以提高銅基體對激光的吸收率從而降低激光熔覆的功率,但溫度過高可能會導(dǎo)致銅合金基體性能的降低，甚至?xí)斐杀”阢~基體熔穿[10，11]。

在壁厚為3 mm和10 mm組成的不同壁厚型銅鋅合金圓管的外圓表面進行激光熔覆，由于零件的壁厚不同，零件的冷卻速度也不相同，而激光熔覆后的殘余應(yīng)力一般與熔覆零件的溫度場有關(guān)，被熔覆零件區(qū)域的溫度如果短時間內(nèi)快速上升然后又快速下降，會造成被熔覆零件發(fā)生熱膨脹，熱膨脹過大會造成裂紋。引成熱膨脹的原因與溫度、材料熱膨脹系數(shù)有關(guān)，被熔覆零件的結(jié)合區(qū)由于基材和熔覆材料不同，兩者的熱膨脹系數(shù)也不同，造成的熱膨脹程度也不同，當(dāng)熱膨脹程度差距過大會使被熔覆零件在熔覆區(qū)域產(chǎn)生熱應(yīng)力，嚴(yán)重者出現(xiàn)裂紋。熔覆層在冷卻的同時，由于基材和熔覆材料的不同會發(fā)生相變和體積變化，從而產(chǎn)生相變應(yīng)力。由于熱應(yīng)力和相變應(yīng)力的存在以及熔覆區(qū)域材料的膨脹系數(shù)不同會產(chǎn)生應(yīng)力殘留，可能使熔覆區(qū)域產(chǎn)生裂紋。被熔覆區(qū)域的溫度先急速升高又快速降低，在這個過程中當(dāng)內(nèi)部的殘余應(yīng)力超過被熔覆零件本身的屈服強度極限時，會造成熔覆區(qū)域變形。

由于被熔覆零件材料為銅鋅合金，同時又是變壁厚零件，它在低溫時激光吸收率較低，故先對其進行預(yù)加熱，當(dāng)基材加熱到300 ℃時熔覆效果最好，同時能消除部分殘余應(yīng)力。用此時的溫度做熔覆標(biāo)準(zhǔn)，制定熔覆工藝路線，忽略其他外界因素的影響。

1 公式表達式的建立

1.1 應(yīng)力場熱源模型

熔覆表面加載激光熱源類似高斯熱源模型，用高斯函數(shù)分布，表示為：

(1)

其中：q(r)為熱流密度，J/(m2·s)；Q為單位時間實際吸收的熱能，W；R1為激光有效加熱半徑，mm;r為熱影響范圍上某點距加熱中心的距離，mm。

1.2 基體激光吸收率公式

其激光波長為10.6 μm時銅鋅合金的激光吸收率計算公式：

(2)

其中：ε為材料的激光吸收率；R為材料的電阻率，Ω·m；α為材料電阻溫度系數(shù),℃-1；θ為材料當(dāng)前溫度,℃。

從式(2)中可知激光吸收率與溫度有關(guān)，溫度越高吸收率越高。

2 有限元模型的建立

2.1 材料屬性

應(yīng)力場模型建立前需要先設(shè)定材料的物理參數(shù)，銅鋅合金的熱物理參數(shù)見表1。

表1 銅鋅合金熱物理參數(shù)

2.2 網(wǎng)格的劃分和求解

為了求解精確和提高模型精確度選擇使用8節(jié)點六面體網(wǎng)格單元。模型尺寸以實際測量為基準(zhǔn)進行取整優(yōu)化，為了節(jié)省求解時間和資源，熔覆層以矩形圓環(huán)進行模擬，對銅管網(wǎng)格進行粗略劃分，對熔覆層網(wǎng)格進行精細(xì)劃分，零件尺寸和有限元網(wǎng)格劃分分別如圖1和圖2所示。

2.3 熔覆實驗

數(shù)值模擬前探究溫度對銅鋅合金激光吸收效果的影響。用金屬膠將熱電偶末端固定在銅鋅板上，常溫下對銅鋅板進行熔覆，無法形成熔池，只在表面形成了部分機械結(jié)合熔覆層渣。通過陶瓷加熱片對銅鋅板進行預(yù)熱處理，用熱電偶檢測銅鋅板實時溫度，由于受周圍溫度環(huán)境影響和銅鋅板散熱快，當(dāng)溫度在100 ℃、200 ℃左右時都無法形成有效熔池。當(dāng)熱電偶溫度顯示350 ℃左右時進行熔覆，由于沒有陶瓷加熱片的包裹加熱，進行熔覆時銅鋅板溫度已經(jīng)降到300 ℃左右，此時在銅鋅板上形成了有效的熔覆層。由此得出當(dāng)銅鋅板溫度低時激光吸收率低，不能形成有效熔池，當(dāng)預(yù)熱到300 ℃左右時銅鋅合金的激光吸收率增加，可以進行熔覆。銅鋅合金板熔覆實驗結(jié)果如圖3所示。

圖1 零件尺寸 圖2 有限元網(wǎng)格劃分 圖3 銅鋅合金板熔覆實驗

2.4 溫度場分析

由前面實驗數(shù)據(jù)得出當(dāng)溫度預(yù)熱到300 ℃時熔覆效果較好，所以進行溫度場分析時以溫度300 ℃為起點分析。該零件的兩端為薄壁、中間為厚壁，得到的分析結(jié)果如圖4和圖5所示。由圖4可以看出，薄壁區(qū)域溫度場最高溫度在1 360 ℃左右，熔池的溫度在1 300 ℃左右，且溫度下降趨勢與高斯熱源模型相似。由圖5可以看出，厚壁區(qū)域溫度場最高溫度為1 370 ℃左右，熔池的溫度在1 100 ℃左右。薄壁與厚壁熔池溫度相差200 ℃，分析原因是由于輸入的熱量大致相同，厚壁部分分?jǐn)偟臒崃坎煌?，?dǎo)致厚壁熔池溫度略低于薄壁。

圖4 薄壁單道溫度場模擬

圖5 厚壁單道溫度場模擬

3 激光熔覆應(yīng)力場分析

3.1 薄壁應(yīng)力場分析

在進行求解前對零件添加固定約束，將求得的溫度場作為載荷物理量進行應(yīng)力場求解，設(shè)置初始溫度300 ℃?；谝陨戏治龅玫姐~鋅合金管單道熔覆后薄壁處的應(yīng)力分布，如圖6所示。由圖6可知:最大應(yīng)力在被熔覆區(qū)域和熱影響區(qū)，在固定端有較小的應(yīng)力集中，但遠(yuǎn)小于被熔覆端；節(jié)點24851的應(yīng)力值最高為198 MPa，原因是激光束照射基體時輸入大量的熱量，使基體快速升溫和冷卻產(chǎn)生了熱應(yīng)變和相應(yīng)變，基體和熔覆層材料不同所以他們的膨脹系數(shù)不同也會產(chǎn)生應(yīng)力；節(jié)點28206受基體升溫也出現(xiàn)應(yīng)力，但與節(jié)點24851相比基本可以忽略不計；而節(jié)點19432處于固定端，離熔覆端較遠(yuǎn)，沒有后續(xù)熱量輸入，處于自然冷卻且一直與夾具熱交換，受到夾具固定阻止了零件的形變，故應(yīng)力有不斷上升趨勢。

圖6 薄壁應(yīng)力分布

3.2 厚壁應(yīng)力分析

厚壁應(yīng)力分布如圖7所示。由圖7可知：應(yīng)力集中最大的區(qū)域在熔覆層和基材連接部分，由于熔覆層和基體材料不同，所以熱膨脹系數(shù)不同，零件厚度不同導(dǎo)致溫度分布不均勻會產(chǎn)生熱應(yīng)力，嚴(yán)重時會在被熔覆區(qū)域產(chǎn)生裂紋影響熔覆的質(zhì)量；節(jié)點28206在熔覆完成一圈之后最大應(yīng)力達到196 MPa左右，主要原因是零件熔覆結(jié)束后沒有熱量的持續(xù)輸入所以溫度快速降低，零件厚度不同導(dǎo)致溫度下降不均勻，出現(xiàn)應(yīng)力集中；節(jié)點19432位于左端固定薄壁處，熔覆時向兩端導(dǎo)熱，由于卡具和零件材料不同、熱膨脹系數(shù)不同，所以出現(xiàn)了應(yīng)力值上升，左端薄壁區(qū)域的應(yīng)力明顯小于厚壁區(qū)域；而在右端薄壁沒有固定約束的24851節(jié)點處應(yīng)力值很小，與厚壁熔覆區(qū)域相比可忽略不計。由此可以得知，在厚壁部分進行熔覆時應(yīng)力的大小與材料屬性、溫度、約束有關(guān)。

圖7 厚壁應(yīng)力分布

4 激光熔覆實驗

由上述得出最佳熔覆工藝方案，先熔覆兩端薄壁最后熔覆中間厚壁部分。熔覆參數(shù)的設(shè)定為：厚壁端激光功率1.5 kW，掃描速度0.005 m/s，壁厚進行連續(xù)熔覆；薄壁端激光功率1.2 kW，掃描速度為0.005 m/s，由于薄壁所以降低激光功率以免造成熔穿，進行間隔熔覆以免溫度過高。熔覆后的零件熔覆層厚度均勻無明顯裂紋和氣孔，熔覆層與基材結(jié)合良好，達到實驗的要求。熔覆圖和金相顯微圖如圖8所示 。

圖8 熔覆圖和金相顯微圖

5 結(jié)論

(1) 建立了變壁厚激光熔覆模型，模型求解結(jié)果和熔覆后的實驗結(jié)果相一致。薄壁區(qū)域和厚壁區(qū)域應(yīng)力明顯不同，厚壁區(qū)域節(jié)點應(yīng)力大于薄壁區(qū)域節(jié)點應(yīng)力，且在沒有約束薄壁部分應(yīng)力較小。

(2) 分析了熔覆區(qū)域材料的不同導(dǎo)致的熱應(yīng)力不同，薄壁區(qū)域應(yīng)單道熔覆以避免熱量聚集造成應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致裂紋和氣孔出現(xiàn)甚至造成基體熔穿。厚壁區(qū)域可以進行多道連續(xù)熔覆，厚壁區(qū)域抵抗屈服強度能力較大，表面熔覆結(jié)果良好，無明顯裂紋和氣孔，達到我們需要的效果。得出的結(jié)果驗證了熔覆方法的正確性和可行性。

(3) 制定了熔覆變壁厚零件的最佳工藝路線，給后續(xù)的研究提供了思路和方法。

(4) 通過對零件實驗前的預(yù)熱，解決了銅鋅合金在低溫時對激光吸收率低的問題，在低功率下對薄壁進行單道熔覆，高功率下對厚壁進行多道連續(xù)熔覆，制備出了與基體冶金結(jié)合良好的熔覆層，熔覆層組織致密、無氣孔和裂紋等缺陷。