鎬型截齒激光熔覆數(shù)值模擬研究

陳向陽(yáng) 鄭小豪 魏昌國(guó) 方志淮 李 兵

(1.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽九環(huán)智能環(huán)保科技有限公司，安徽 淮南 232001；3.安徽晟名新材料科技有限公司，安徽 淮南 232001)

0 引言

截齒是采煤機(jī)截割部的重要零件。由于煤層環(huán)境十分復(fù)雜，對(duì)采煤機(jī)截割部零件來(lái)說(shuō)，必須要具備足夠強(qiáng)度和使用壽命，才能滿足對(duì)零件的工作和壽命要求［1］。未經(jīng)處理的截齒早已不能滿足目前行業(yè)要求，截齒必須經(jīng)過(guò)表面強(qiáng)化才能投入使用。常用的截齒表面處理方法為堆焊，堆焊雖在一定程度上能提高截齒的強(qiáng)度，但隨著行業(yè)發(fā)展，堆焊處理后的截齒硬度、耐磨性及耐腐蝕性等主要性能已無(wú)法滿足要求。目前，大部分企業(yè)選擇激光熔覆對(duì)截齒表面進(jìn)行處理。本研究通過(guò)對(duì)不同激光熔覆的功率和掃描速度溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬，從而得到合適參數(shù)。

Leunda 等［2］在雙筒形孔零部件內(nèi)壁進(jìn)行激光熔覆NiCr-WC 粉末試驗(yàn)，研究結(jié)果表明，球形對(duì)不規(guī)則形狀WC 顆粒具有較高的粉末利用率，易制得滿足需求的熔覆層。Emamian等［3］研究了激光熔覆工藝參數(shù)對(duì)TiC 熔覆層宏觀形貌的影響，研究結(jié)果表明，工藝參數(shù)對(duì)于TiC 的形態(tài)成型具有直接影響，并起到主要作用。許明三等［4］采用剪切法對(duì)熔覆層和基體的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，研究了多個(gè)影響因素對(duì)結(jié)合強(qiáng)度的影響程度，研究結(jié)果表明，激光熔覆層的結(jié)合強(qiáng)度能達(dá)到工作要求。鄧德偉等［5］采用激光熔覆法提高了水導(dǎo)潤(rùn)滑軸承的表面性能，并通過(guò)試驗(yàn)研究了各工藝參數(shù)對(duì)Ni40 熔覆層的影響規(guī)律。Liu［6］使用三維模型分析了激光重熔對(duì)NiCrBSi 涂層殘余應(yīng)力的影響，結(jié)果表明，重熔區(qū)域表現(xiàn)為拉伸殘余應(yīng)力。Luo 等［7］采用激光沖擊技術(shù)消除了涂層內(nèi)部較大的殘余應(yīng)力，并優(yōu)化了涂層的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。Das 等［8］發(fā)現(xiàn)激光重熔可使涂層表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，這抑制了裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)張，從而顯著降低了涂層的裂紋密度。

1 模型建立與數(shù)值模擬

1.1 零件模型與網(wǎng)格劃分

本研究選用U47-22 鎬型截齒。截齒激光熔覆是在主要受力區(qū)域熔覆一層2 mm 厚的熔覆層，截齒有限元模型如圖1 所示。網(wǎng)格劃分在有限元分析中十分重要，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接影響到計(jì)算準(zhǔn)確性。截齒的主要計(jì)算區(qū)域在熔覆層位置，故對(duì)該位置的網(wǎng)格進(jìn)行加密處置，其余位置可適當(dāng)增加網(wǎng)格尺寸，以減少計(jì)算時(shí)間。

圖1 截齒有限元模型

為簡(jiǎn)化溫度場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算模型，對(duì)模擬過(guò)程做如下假設(shè)［9］：材料為各向同性的；忽略熔池流體的流動(dòng)作用對(duì)溫度場(chǎng)的影響；忽略熔覆過(guò)程中的相變潛熱；忽略因熱輻射導(dǎo)致的熱量損失；忽略材料的汽化作用。

1.2 熱源模型

目前，激光熔覆模擬常用的熱源有高斯面熱源、高斯體熱源、橢球型熱源、雙橢球熱源等。對(duì)研究對(duì)象及重點(diǎn)而言，高斯面熱源更為合適。

1.3 邊界條件及生死單元

瞬態(tài)熱分析邊界條件包括對(duì)流換熱和熱輻射。為簡(jiǎn)化計(jì)算，只考慮零件和環(huán)境間的熱對(duì)流情況，熱對(duì)流系數(shù)與溫度有關(guān)，如圖2所示。生死單元技術(shù)是在熱源加載前先殺死單元，使得在熱源還未加載到該位置時(shí)，該位置的材料模型不具備任何屬性，在熱源生成后對(duì)應(yīng)的單元激活，激活后的單元開(kāi)始施加材料屬性。生死單元的應(yīng)用使得模擬更加接近真實(shí)情況［10］。

圖2 換熱系數(shù)—溫度曲線

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 溫度場(chǎng)結(jié)果

功率為3.5 kW、掃描速度為0.4 π/s的某時(shí)刻溫度場(chǎng)分布情況如圖3 所示。由圖3 可知，被激光掃描過(guò)的單元被激活，其最高溫度為2 082.8 ℃、最低溫度為25 ℃。溫度在截齒內(nèi)部以熱傳遞的形式向外擴(kuò)散，越靠近激光斑點(diǎn)區(qū)，溫度越大。由于熱源施加是一個(gè)瞬間的過(guò)程，因此在熔覆區(qū)會(huì)經(jīng)歷急速升溫急速降溫的過(guò)程，這會(huì)導(dǎo)致在熔覆區(qū)附近產(chǎn)生極大的溫度梯度，瞬間產(chǎn)生極大的熱應(yīng)力，但是隨著冷卻時(shí)間的增加，熱應(yīng)力會(huì)慢慢減小但依然很大［4］。截齒在工作時(shí)主要是合金頭和熔覆區(qū)受力，過(guò)高的應(yīng)力會(huì)大大降低截齒的工作壽命。為了提高截齒壽命，必須進(jìn)行后處理以減小內(nèi)應(yīng)力。

圖3 某時(shí)刻溫度場(chǎng)云圖

不同參考點(diǎn)的溫度—時(shí)間曲線如圖4 所示。由圖4 可知，熔覆過(guò)程，每一個(gè)參考點(diǎn)的溫度會(huì)出現(xiàn)多個(gè)波峰，第一次是激光熱源施加時(shí)，此時(shí)溫度最高，材料也在這個(gè)瞬間熔覆到基體上。后續(xù)的波峰是因激光熱源施加到后面幾層熔覆層的相應(yīng)位置時(shí)，通過(guò)熱傳遞的方式產(chǎn)生波峰，此時(shí)的溫度會(huì)影響熔覆層和基體材料的組織演變，會(huì)直接影響材料表面的硬度、耐磨性等［5］。截齒不同位置的熔覆層熔覆過(guò)程中，受熱傳導(dǎo)影響，峰值溫度會(huì)有不同。

圖4 不同參考點(diǎn)溫度—時(shí)間曲線

不同掃描速率下的溫度—時(shí)間曲線如圖5 所示。由圖5 可知，掃描速率越大，激光光斑在零件表面停留時(shí)間越短，零件吸收的能量也越少，零件最高溫度降低。當(dāng)掃描速度超過(guò)某一個(gè)極值時(shí)，激光產(chǎn)生的能量已經(jīng)不能使材料融化融合。

圖5 不同掃描速度溫度—時(shí)間曲線

不同功率的溫度—時(shí)間曲線如圖6 所示。由圖6 可知，功率越高，零件最高溫度越高，冷卻速率越低，而冷卻速度會(huì)影響材料性能，尤其是殘余應(yīng)力和材料硬度［11］。由此可以推斷出，提高熔覆速度，必然會(huì)導(dǎo)致材料吸收的能量降低，提高激光功率,可增加材料的能量吸收,從而提升峰值溫度。當(dāng)掃描速率由0.1 π/s提升至0.4 π/s，將激光功率提升至3.5 kW 時(shí)，相較于單獨(dú)提升速率，到達(dá)峰值溫度的時(shí)間相同，但峰值溫度提升了400 ℃左右。相較于單獨(dú)提升激光功率，其到達(dá)峰值溫度的時(shí)間提前了10 s，峰值溫度降低了1 000 ℃左右。

圖6 不同功率溫度—時(shí)間曲線

2.2 應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果

功率為3.5 kW、掃描速度為0.4 π/s熔覆結(jié)束和自然冷卻1 h 的應(yīng)力場(chǎng)云圖如圖7 所示。由圖7 可知，由于激光熔覆過(guò)程是一個(gè)急速升溫融化，而后迅速冷卻凝固的過(guò)程，在熔覆層上會(huì)產(chǎn)生極大的熱應(yīng)力，熱應(yīng)力主要集中在熔覆層上，且最大應(yīng)力在熔池邊界處［12］。由圖7（a）可知，熔覆結(jié)束時(shí)最大應(yīng)力為2.294 7×108MPa。因?yàn)樵谕瑯訉?duì)流環(huán)境下，不同的溫度冷卻速率不同，因此在冷卻一小時(shí)后，最大應(yīng)力降低至7.693 4×107MPa。

圖7 應(yīng)力云圖

不同激光功率殘余應(yīng)力和不同掃描速度殘余應(yīng)力見(jiàn)表1、表2。激光掃描速率不變，將激光功率分別提升到0.5 kW 和1.5 kW，熔覆結(jié)束時(shí)的應(yīng)力分別提升0.28×108MPa 和1.13×108MPa。冷卻1 h 后，應(yīng)力分別提升0.16×107MPa 和0.57×107MPa。當(dāng)激光功率不變，將掃描速度分別提升0.1 π/s和0.3 π/s，熔覆結(jié)束時(shí)的應(yīng)力分別降低0.04×108MPa 和0.07×108MPa。冷卻1h 后的應(yīng)力分別降低0.46×107MPa和0.81×107MPa。當(dāng)同時(shí)將激光功率提升至3.5 kW、激光掃描速度提升至0.4 π/s時(shí)，熔覆結(jié)束時(shí)殘余應(yīng)力為2.29×108MPa，比僅提升功率降低0.88×108MPa，比僅提升掃描速率增加0.32×108MPa。冷卻1 h 后，殘余應(yīng)力為7.69×107MPa，比僅提升功率降低1.23×107MPa，比僅提升掃描速率增加0.15×107MPa。綜上所述，僅提升激光功率會(huì)增加熔覆時(shí)和冷卻后的殘余熱應(yīng)力，僅提升掃描速度會(huì)降低熔覆時(shí)和冷卻后的殘余應(yīng)力。相較于僅提升單一參數(shù)，同時(shí)提升功率和掃描速率，熔覆結(jié)束和冷卻1 h 后的殘余應(yīng)力整體處于降低趨勢(shì)。

表1 不同激光功率殘余應(yīng)力 單位：MPa

表2 不同掃描速度殘余應(yīng)力 單位：MPa

3 結(jié)論

本研究利用Workbench 平臺(tái)，模擬出截齒激光熔覆過(guò)程中的溫度場(chǎng)，并分析激光功率和掃描速率對(duì)激光熔覆溫度場(chǎng)的影響，得出以下結(jié)論。

①激光功率會(huì)影響熔覆過(guò)程中的峰值溫度和殘余應(yīng)力。激光功率越高，峰值溫度越大，并隨著功率的升高，冷卻速率會(huì)降低，提升激光功率會(huì)增加熔覆時(shí)和冷卻后的殘余熱應(yīng)力。

②掃描速度越大，峰值溫度越低。當(dāng)速度過(guò)高時(shí)，零件吸收的能量不足以讓材料融化。提升掃描速度會(huì)降低熔覆時(shí)和冷卻后的殘余應(yīng)力。

③同時(shí)提升掃描速率和激光功率，可提升熔覆效率，且溫度也能達(dá)到需要的溫度，熔覆時(shí)和冷卻后的殘余應(yīng)力整體會(huì)降低。