基于復(fù)雜移動熱源模擬的激光自熔覆試驗研究

雷曉星,曹志勇,張悅,徐承亮

(1廣州科技貿(mào)易職業(yè)學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心, 廣東 廣州 511442;2.湖北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 湖北 武漢 430062)

0 引言

隨著工業(yè)4.0時代的發(fā)展,各類零件的生產(chǎn)要求及標(biāo)準(zhǔn)不斷提高,在保證質(zhì)量和精度的情況下,覆蓋件模具型腔的加工工況也愈加復(fù)雜.生產(chǎn)中,磨擦、沖擊等復(fù)雜應(yīng)力的共同作用于模具表面,極易致使模具發(fā)生磨損、變形等損壞,甚至導(dǎo)致表面失效.為了解決模具在生產(chǎn)過程中過早失效而導(dǎo)致的成本增加、制造工期延長、產(chǎn)品質(zhì)量差等難題,提高覆蓋件模具的產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命、優(yōu)化模具表面強化技術(shù)工藝是一個重大的挑戰(zhàn).激光自熔覆技術(shù)是一種利用高能量密度激光來改善金屬綜合機械性能的表面強化工藝技術(shù)[1],在生產(chǎn)實際中,由于激光自熔覆瞬時熱輸出非常高,當(dāng)材料成分、掃描工藝及參數(shù)等條件不同時,工件經(jīng)過激光掃描后將產(chǎn)生組織、尺寸、形狀等變化.工藝不合適或相變硬化表面積較大,可能引起較大變形,從而影響產(chǎn)品質(zhì)量.工藝參數(shù)和材料屬性都會影響自熔覆后的工件質(zhì)量,這些因素耦合在一起,使得激光自熔覆后工件的形變和硬度是否能達到預(yù)期值特別突出,為了自熔覆后能達到預(yù)期的強化硬度,將加工后的工件形變量控制在一定范圍內(nèi),通常會使用試錯法或冗余法,但單純使用正交實驗,會消耗大量時間成本和人力成本[2].

采用有限元數(shù)值模擬來預(yù)測激光自熔覆對工件的影響,使用計算機建立模型預(yù)測激光強化后的硬度及形變程度,可在一定程度上減少材料自熔覆加工過程中的試錯成本,可以有效避免上述提到的在線測量困難、成本高等一系列問題[3-4].有限元模擬是預(yù)估激光加工實驗過程的一種很好的方法,Zhang[5]等通過分析不同的激光加工方式之間的機理差異,提出了一種含有幾何、物理方面的模擬仿真,可適用于所有激光加工方式.Sidi-Ahmed[6]等結(jié)合數(shù)值模擬和實驗,建立了激光硬化3MA-渦流模塊的有限元模型,有限元模擬的結(jié)果證實,所獲得的信號與試樣材料的磁性具有內(nèi)在聯(lián)系.根據(jù)渦流信號與激光硬化深度的關(guān)系曲線,可以在指定頻率下準(zhǔn)確評估趨膚深度.Alisin[7]等建立了NiCrBSi工件表面添加氧化鋁細粉硬化的激光熔融強化過程的有限元模型.獲得了微分方程組的數(shù)值解,研究了熱源的功率和作用時間與涂層的溫度分布之間的關(guān)系.

但是,目前關(guān)于激光自熔覆有限元模擬,主要研究的是二維平面模型或者可以使用公式表達自熔覆軌跡的三維模型.此類方法可以用于簡單的規(guī)則工件或者不需要考慮細節(jié)的工件.對于具有表面有凹槽、凸起的工件,其自熔覆軌跡大多數(shù)是無法用公式表達的,現(xiàn)有的熱源程序已經(jīng)不能滿足需求.針對這種情況,本研究在原有的熱源程序基礎(chǔ)上提出了線性插值算法,改進后的熱源程序可適用于各種復(fù)雜的熔覆軌跡.本實驗中僅需要使用相對少量的實驗數(shù)據(jù)用于修改和驗證有限元模型,就可以得到準(zhǔn)確率較高的預(yù)測模型,使用該模型能預(yù)測所有參數(shù)組合的工件質(zhì)量情況,可以為之后有關(guān)該材料的工件提供實驗參考并減少工件試驗成本.

1 熱源模型的確定

1.1 高斯熱源通用模型通過大量的實驗可以得知,在較為宏觀的溫度分布及溫度梯度研究當(dāng)中,熱量對系統(tǒng)的宏觀加載作用過程可通過熱源模型來很好地描述[8],高斯熱源模型是一種典型的熱源模型,用來描述激光能量在平面上的分布規(guī)律,該熱源模型分布函數(shù)經(jīng)常用于激光加工中.

高斯熱源模型為:

q(r)-q(m)exp(-kr2)

(1)

其中,q(r)表示坐標(biāo)為(x,y)點的能量,q(m)表示激光光斑中心的能量,k為高斯光源能量集中系數(shù),通過能量守恒定理和積分,可得高斯熱源的解析公式:

(2)

其中,q(x,y)為坐標(biāo)為(x,y)的能量值,η為激光吸收效率,r1、r2為坐標(biāo)軸x,y對應(yīng)的熱源半徑.

1.2 本文中提出的熱源模型激光自熔覆與其他激光強化技術(shù)不同,僅作用于材料表面,所以更合適使用平面熱源模型.高斯熱源模型的中心光強極高,四周光強弱,采用這類光束模式實際上不利于激光自熔覆后材料組織和硬度的均勻性,通常要選擇光強分布均勻的激光光束.考慮到使用矩形熱源時,熱源中心的溫度與熱源四周的溫度相差不大.所以本文根據(jù)均勻分布的平面熱源模型[9],推導(dǎo)出單位矩形光斑面積內(nèi)的某一點的激光功率分布函數(shù),即平面移動熱源公式,并應(yīng)用到有限元模擬中,如下所示.

F=η*P/(L*W)

(3)

其中,F為熱通量,η為激光器功率效率,P為總功率,L為矩形光斑的長度,W為矩形光斑的寬度.

2 有限元模型的材料參數(shù)

本數(shù)值模擬實驗中,使用的有限元軟件為Abaqus,具體步驟如下[10].

2.1 建模及網(wǎng)格劃分激光自熔覆實驗中的有限元模型如圖1(a)所示,考慮到工件的對稱性,僅用一半的模型進行分析,結(jié)點總數(shù):23 892,單元總數(shù):47 784 ,單元定義為 C3D6T 溫度-位移耦合單元.

2.2 材料參數(shù)設(shè)定有限元模擬中的材料參數(shù)設(shè)置依據(jù)為德國標(biāo)準(zhǔn)(德標(biāo))GGG70L材料的化學(xué)成分,如表1所示,表2中的材料參數(shù)由專業(yè)材料性能模擬軟件(JMatPro)根據(jù)表1計算獲得.

表1 德標(biāo)GGG70L材料化學(xué)成分

表2 德標(biāo)GGG70L材料參數(shù)設(shè)置

2.3 復(fù)雜三維移動熱源程序開發(fā)Abaqus軟件允許用戶使用Fortran語言編寫熱源程序.大多數(shù)文章中分析的移動熱源軌跡僅涉及簡單的二維空間,僅由寬度→水平線和高度→垂直線構(gòu)成,在幾何學(xué)中即為X軸和Y軸兩個要素所組成的平面空間.如在長方體模型,激光熱源在某個二維平面沿直線或者圓形路徑做功,且路徑可以由簡單的二維函數(shù)表達出來.但是在工程實驗中,工件表面的激光自熔覆往往涉及更為復(fù)雜的三維路徑.

復(fù)雜的三維路徑所產(chǎn)生的三維坐標(biāo)點(x,y,z)不能由簡單的函數(shù)表達出來,使用擬合工具所得到的函數(shù)與實際路徑有較大的誤差,需要采取其他的方法來獲取工件表面的復(fù)雜三維軌跡點[11].本文中提出線性插值的方法來實現(xiàn)三維復(fù)雜熱源移動軌跡程序,具體步驟如下:

1)獲取三維模型的軌跡點.

本研究采用SprutCAM軟件導(dǎo)入模型獲取工件的三維路徑軌跡點,SprutCAM是一款俄羅斯的機器人離線仿真與編程軟件,導(dǎo)入模型后,選擇加工路徑及軌跡點的疏密度,導(dǎo)出獲得的機器人文件中就包含該三維路徑的所有軌跡點,如圖1(b)所示.

2)正則化軌跡點文件.

導(dǎo)出獲得的機器人軌跡文件除了軌跡點,也包含了大量機器人的設(shè)計參數(shù),可以通過Python或其他工具正則化處理得到只含有三維坐標(biāo)點的文件.

3)Fortran程序編寫.

線性插值是指插值函數(shù)為一次多項式的插值方式,其在插值節(jié)點上的插值誤差很小,可以用來近似代替原函數(shù).

核心程序如下:

XXT=xx(i)-xx(i+1)

(4)

YYT=yy(i)-yy(i+1)

(5)

ZZT=zz(i)-zz(i+1)

(6)

dd(i)=SQRT((YYT*YYT)+(XXT*XXT)+(ZZT*ZZT))

(7)

(xx(i),yy(i),zz(i)),(xx(i+1),yy(i+1),zz(i+1))為相鄰軌跡點,dd(i)為兩個軌跡點的距離,通過循環(huán)操作,可以得到所有軌跡點間的距離.

ratio=(a-d1)/(d2-d1)

(8)

X_center=xx(n1)+ratio*(xx(n2)-xx(n1))

(9)

Y_center=yy(n1)+ratio*(yy(n2)-yy(n1))

(10)

Z_center=zz(n1)+ratio*(zz(n2)-zz(n1))

(11)

式(8)中,a為某時刻移動熱源軌跡的路徑長度,(X_center,Y_center,Z_center)為該時刻熱源中心點,ration為該時刻移動熱源中心在兩個軌跡點中的插值比例,由式(9)～(11)得到該時刻熱源中心點的坐標(biāo).

2.4 有限元模擬方案有限元模擬時,加載時間為20 s,激光功率效率選擇為0.3,功率為 1 800 W,矩形光斑長為0.01 m,寬為0.005 m.圖2為上述條件下,工件分別在4.019 s (a)、8.047 s (b)、11.01 s (c)、16 s(d) 時的溫度場分布情況,耦合線性位移量和組織晶粒度分布情況,可以估算出最大和平均的形變量以及硬度值,本實驗取的平均值.

圖2 工件在4.019 s (a)、8.047 s (b)、11.01 s (c)、16 s (d)時的溫度分布情況

從圖2中,可以看出激光矩形光斑在不同時刻沿三維模型的凹槽處熔覆時的溫度場變化,說明使用基于線性插值的復(fù)雜三維熱源移動軌跡程序可以很好地模擬復(fù)雜的軌跡.分析溫度分布可知,在激光輻射表面的瞬間,光斑中心溫度可達到1 300 ℃,且熱量集中在矩形熱源處,光斑熱源周圍的溫度比激光輻射區(qū)低,這說明激光能量密度較高,這也是激光表面改性技術(shù)為什么適于高精度的零件處理.圖中可以看出熔覆區(qū)溫度下降速度很快,不久就接近室溫.極快的加熱冷卻速度對工件熱影響小,工件的形變量也就小,一定程度上保證了工件在加熱后提升硬度的同時工件形變量較小.

3 有限元模擬分析

3.1 激光參數(shù)對形變量的影響本文中使用有限元模擬來分析不同工藝參數(shù),即不同激光功率和掃描速度對形變量的影響,從而可以驗證有限元模擬與實驗值的誤差在可接受范圍內(nèi).

3.1.1 激光功率的影響 設(shè)計了4組實驗,每組5個實驗,共20個實驗.具體工藝參數(shù)為光斑大小:13 mm,激光移動速度為4、6、8、10 mm/s,激光功率在800～2 000 W之間變化,形變量模擬結(jié)果如圖3所示,由圖可知,在相同的光斑大小和激光掃描速率下,工件熔覆后的形變量,隨著激光功率的增加而增加.激光功率越大,作用在工件的溫度越高,熔覆后的形變量也就越大.

圖3 激光功率對熔覆后形變量的影響

3.1.2 激光掃描速度的影響 設(shè)計了2組實驗,每組4個實驗,共8個實驗,激光功率分別為1 300 W和2 300 W,光斑大小分別為13 mm和20 mm,激光移動速度在4～10 mm/s之間變化.不同工藝參數(shù)下形變量結(jié)果如圖4所示,由圖可知,在相同的光斑大小和激光功率下,工件熔覆后的形變量,隨著激光掃描速率的增加而減小.因為激光掃描的速率越快,激光在相同的熔覆部分停留的時間越短,所以熱量的積累越小,導(dǎo)致形變量越小.

圖4 激光掃描速度對熔覆后形變量的影響

3.2 激光參數(shù)對硬度的影響

3.2.1 激光功率的影響 設(shè)計了4組實驗,每組5個實驗,共20個實驗,光斑大小為20 mm,激光移動速度分別為4、6、8、10 mm/s,計算的工件表面硬度結(jié)果如圖5所示,由實驗結(jié)果可知,在相同的激光光斑大小和掃描速度的條件下,工件的表面硬度(HV,維氏硬度),在640～780 HV之間變化,工件表面硬度先隨著激光功率的增加而增加,達到一定峰值后,隨著激光功率的增加而減少.原因如下:當(dāng)激光功率過大,加載在試樣上的溫度過高,會使工件表面熔凝嚴(yán)重,內(nèi)部出現(xiàn)有發(fā)黑的氧化物,使表面硬度反而不高.

圖5 激光功率對熔覆后表面硬度的影響

3.2.2 激光掃描速度的影響 設(shè)計了2組實驗,每組4個實驗,共8個實驗,激光速度在4～10 mm/s之間,光斑大小分別為13 mm和20 mm,激光功率分別為1 300 W和2 000 W.計算的硬度結(jié)果如圖6所示,由實驗結(jié)果和圖6可知,在激光輸出功率和光斑大小不變的情況下,熔覆后工件的硬度隨激光掃描速度的增大而減少.造成這種現(xiàn)象的原因是:當(dāng)激光輸出功率和光斑大小不變時,掃描速度越小,則激光束作用在表面材料上的時間越長,材料吸收的激光束能量越多,相反,掃描速度越大,材料吸收的激光能量越少,從而使得奧氏體的晶粒越難長大,在之后的冷卻過程時,所得到的馬氏體組織也比較均勻細小,使工件的熔覆層硬度下降.

圖6 激光掃描速度對熔覆后硬度的影響

4 工程實驗研究

4.1 實驗準(zhǔn)備實驗采用的是德標(biāo)GGG70L模具材料,在激光熔覆前,要對樣品進行預(yù)處理,首先將基體材料用砂紙磨平,去除表面氧化層,并用丙酮和酒精洗去油污后待用,試驗采用RFL-C6000激光加工平臺,最大輸出功率為6 000 W,運動裝置為KUKA-KR60型六自由度機器人平臺,如圖7所示.

將加工好的工件置于激光加工臺上,調(diào)整機床的工作位置,設(shè)置離焦量和光斑尺寸后,對機器人進行加工編程從而控制激光掃描路線,激光熔覆加工過程如圖8(a)所示,圖中工件紅色部位為入射的激光,激光熔覆加工后的工件及其表面如圖8(b)所示,激光熔覆加工后的工件會進行形變量和表面硬度的測量,以獲取不同激光參數(shù)下的形變量和表面硬度的數(shù)據(jù).

圖7 激光加工機器人平臺

圖8 (a) 激光熔覆加工過程中(工件紅色部位為入射的激光);(b) 激光加工后的工件及其表面

4.2 激光加工后性能驗證

4.2.1 形變量測試 激光熔覆加工實驗的工藝參數(shù)為:激光光斑20 mm,激光掃描速率8 mm/s,激光功率3 000 W.為了測試激光熔覆前后工件的形變,測量形變量采用的三坐標(biāo)測量儀為 Global 575系列型號,如圖9(a) 所示,測量工件表面樣點的探頭如圖9(b)所示,對其熔覆前后的外表面輪廓進行取點掃描,以測量輪廓變化,測量取工件的16個樣點,如圖9 (c)和 (d)所示.

圖9 三坐標(biāo)測量儀測試形變量及其方法

4.2.2 硬度測試 激光自熔覆后將試樣沿垂直于自熔覆軌跡的方向線切割開,對其橫斷面進行打磨(砂紙從200～2 000目)、拋光.按照GB/T 4340.1標(biāo)準(zhǔn),采用9.8 N負荷的維氏硬度計進行硬度測量.在試樣同一橫截面上取5個點進行硬度檢測,最后取其平均值.沿自熔覆軌跡方向間隔適當(dāng)距離選取5個不同橫截面位置,每個橫截面位置取4個點,獲得包含20個點的陣列,對點陣位置的硬度進行檢測,以硬度的標(biāo)準(zhǔn)差作為硬度均勻性參數(shù).使用4%硝酸酒精溶液作為侵蝕劑顯示試樣的顯微組織,采用顯微組織測量法測量自熔覆后試樣的淬硬層深度.在試樣的橫截面上,從表面垂直測至熱影響區(qū)頂端的距離為淬硬層的深度.

4.2.3 形變量實驗和有限元對比 使用Abaqus構(gòu)建與實驗相同的模型,自定義移動熱源代碼設(shè)置和實驗相同的工藝參數(shù),采用激光光斑20 mm,激光掃描速率8 mm/s,激光功率2 800 W.在Abaqus中創(chuàng)建顯示組,選取和測量形變量時相同位置的16個測量點.將模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比分析.經(jīng)過幾次對比修改后,最終有限元模擬結(jié)果與實驗值的誤差如圖10中可以看出,實驗和模擬結(jié)果誤差較小,說明模型是可靠的.誤差范圍在之內(nèi).說明模擬數(shù)據(jù)比較可靠,可一定程度上代替實驗,進行分析.

圖10 形變量的模擬和實驗結(jié)果對比

5 結(jié)論

1)本研究利用激光自熔覆有限元模擬技術(shù),采用線性插值法改進熱源程序,建立準(zhǔn)確性較高的預(yù)測模型,實現(xiàn)了復(fù)雜三維熱源移動軌跡,解決了在工程實驗中激光自熔覆所涉及的更為復(fù)雜的三維路徑問題,可適用于各種復(fù)雜的熔覆軌跡;

2)通過新建的有限元模擬模型,利用Abaqus軟件對不同的工藝參數(shù)進行模擬,得出的模擬數(shù)據(jù)在工程實驗中進行分析,說明模擬模型精確度比較高,模擬數(shù)據(jù)是可靠的,一定程度上可代替工程實驗進行分析,減少試驗中浪費的大量人力、物力和財力成本.