鑄件材料裝備表面激光二次掃描修復(fù)工藝影響分析

王延文 高 凱,2

（1.中石化石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司科技信息部,北京 100020；2.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院,山東 東營(yíng) 257017）

激光修復(fù)是一個(gè)急速加熱與冷卻的過(guò)程，極高的溫度梯度與冷卻速率導(dǎo)致了極大的熱應(yīng)力。通過(guò)緩冷調(diào)整激光修復(fù)過(guò)程中的溫度循環(huán)過(guò)程，適當(dāng)降低冷卻速率，對(duì)于降低殘余應(yīng)力、抑制裂紋的產(chǎn)生有良好的效果?，F(xiàn)有的緩冷措施主要集中在爐內(nèi)緩冷和后續(xù)熱處理方面，且需要多套設(shè)備的輔助操作，較為費(fèi)時(shí)費(fèi)力。考慮到現(xiàn)有緩冷措施的不足和熱處理工藝的復(fù)雜性，以及激光束操作靈活可控的特點(diǎn)，本文提出一種激光二次掃描的工藝措施。

1 激光二次掃描修復(fù)工藝流程

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，光斑、送粉方式均不變，對(duì)裂紋產(chǎn)生直接影響的工藝參數(shù)為激光功率和掃描速度[1]。有研究表明，掃描速度對(duì)石墨形態(tài)、組織分布、組織特征的影響作用很大，而激光功率的作用相對(duì)較小。掃描速度相比激光功率，對(duì)修復(fù)層裂紋具有更大、更直接的影響。因此在激光二次掃描過(guò)程的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，保持恒定的低激光功率，只對(duì)掃描速度進(jìn)行改變，并重點(diǎn)分析掃描速度的影響。本文設(shè)定激光二次掃描過(guò)程中功率恒定為500 w，掃描速度分別為100 mm/min、150 mm/min、200 mm/min、300 mm/min，選取的工藝參數(shù)如表1所示。其中，Set1～Set4實(shí)驗(yàn)為在修復(fù)后施加激光二次掃描，Set5為對(duì)比實(shí)驗(yàn)，只包括修復(fù)過(guò)程，無(wú)激光二次掃描過(guò)程。在對(duì)激光修復(fù)工藝參數(shù)的研究中，可得激光功率3 500 w、掃描速度300 mm/min為較為理想的工藝參數(shù)組合。

表1 激光二次掃描工藝參數(shù)

如圖1(a)所示，實(shí)驗(yàn)前將合金粉末預(yù)置在試樣表面。實(shí)驗(yàn)主要包括激光修復(fù)、激光回程和激光掃描三個(gè)過(guò)程，如圖1(b)～圖1(d)所示。圖1(b)為激光修復(fù)過(guò)程，修復(fù)功率為3 500 w，掃描速度為300 mm/min，修復(fù)過(guò)程所需時(shí)間共10 s。在激光修復(fù)完成之后，激光關(guān)閉（p=0），同時(shí)激光頭以較快的速度（1 500 mm/min）返回修復(fù)初始位置，同時(shí)將激光功率降低至500 w，所需時(shí)間為2 s，如圖1(c)所示。激光頭回到修復(fù)初始位置之后，激光打開，以不同的掃描速度對(duì)修復(fù)層進(jìn)行二次掃描。二次掃描過(guò)程如圖1(d)所示，激光功率設(shè)定為500 w，掃描速度分別為100 mm/min、150 mm/min、200 mm/min、300 mm/min，所需時(shí)間分別為30 s、20 s、15 s和10 s。

圖1 激光二次掃描過(guò)程描述

2 激光二次掃描的熱力特征分析

本文采用數(shù)值分析手段研究激光二次掃描過(guò)程中修復(fù)層的熱力變化情況。通過(guò)改進(jìn)激光修復(fù)數(shù)值模型，添加激光二次掃描環(huán)節(jié)，分析有無(wú)激光二次掃描環(huán)節(jié)、不同速度下的激光二次掃描環(huán)節(jié)對(duì)修復(fù)層溫度和應(yīng)力狀態(tài)的影響。

2.1 溫度響應(yīng)分析

以Set3為例，對(duì)激光二次掃描過(guò)程中的熱力響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行分析[2]。圖2為Set3中修復(fù)層中心線中點(diǎn)M的溫度循環(huán)曲線。T1為激光修復(fù)階段，共10 s。在修復(fù)過(guò)程中，當(dāng)激光靠近M點(diǎn)時(shí)，溫度急速上升至3 200 ℃，隨著激光遠(yuǎn)離M點(diǎn)，其溫度迅速下降，在修復(fù)結(jié)束時(shí)刻的溫度約為300 ℃。之后為T2激光回程階段，激光頭關(guān)閉，并高速返回至修復(fù)起始端，所需時(shí)間為2 s。在激光回程過(guò)程中，M點(diǎn)的溫度持續(xù)下降，但下降幅度較小，在T2末端，溫度降至245 ℃。

圖2 Set3與Set5中M點(diǎn)溫度循環(huán)過(guò)程

T3為激光二次掃描階段，掃描過(guò)程中的功率為500 w，速度為200 mm/min，該過(guò)程共持續(xù)15 s。激光在二次掃描過(guò)程中由于速度較慢，所以相比修復(fù)階段，M點(diǎn)的溫度上升和下降速率較為平緩。由圖2中T3階段的溫度循環(huán)情況可知，在18.4 s～19.7 s過(guò)程中，M點(diǎn)溫度由221 ℃升高至603 ℃，溫度上升較為平緩。在19.7 s～21.5 s過(guò)程中，M點(diǎn)溫度由603 ℃降至305 ℃，溫度下降較為緩慢。之后M點(diǎn)溫度緩慢下降，在二次掃描結(jié)束時(shí)刻，溫度為209 ℃。由T3階段的溫度變化過(guò)程可知，由于掃描速度較慢，二次掃描過(guò)程中的溫度上升和下降均較為平緩，且隨后的冷卻過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)，這為修復(fù)層殘余應(yīng)力的釋放提供了條件。Set5只有激光修復(fù)過(guò)程，無(wú)二次掃描環(huán)節(jié)，其激光修復(fù)過(guò)程與Set3是一致的，在激光修復(fù)完成之后試樣溫度一直冷卻，如圖2所示。

圖3為Set3中激光修復(fù)（T1）、激光回程（T2）、激光掃描（T3）三個(gè)階段中間時(shí)刻的溫度分布情況。圖3(a)為激光修復(fù)中間時(shí)刻，熱作用區(qū)域呈帶狀分布。圖3(b)為激光回程中間時(shí)刻，試樣不受激光作用，處于降溫過(guò)程，修復(fù)層末端的溫度最高，約為1 092 ℃，起始端的溫度最低。圖3(c)為激光二次掃描中間時(shí)刻（t=19.5 s），其溫度分布與修復(fù)過(guò)程類似。圖3(d)為此時(shí)刻（t=19.5 s）Set5的溫度分布情況，可知無(wú)二次掃描作用時(shí)，試樣的溫度已下降到140 ℃～230 ℃，其中最高溫位于修復(fù)層末端，為231 ℃。

圖3 Set3和Set5中T1、T2、T3階段中間時(shí)刻的溫度分布

2.2 應(yīng)力響應(yīng)分析

2.2.1 瞬時(shí)熱應(yīng)力分析

圖4為Set3與Set5中M點(diǎn)的X方向瞬時(shí)熱應(yīng)力變化情況。T1階段為激光修復(fù)階段：當(dāng)光斑遠(yuǎn)離M點(diǎn)時(shí)，M點(diǎn)附近的單元未被激活，不參與計(jì)算，因此應(yīng)力為零；隨著光斑靠近，位于M點(diǎn)前端的材料受熱膨脹，擠壓M點(diǎn)，因此M點(diǎn)受到X正向作用力；當(dāng)光斑作用于M點(diǎn)區(qū)域時(shí)，M點(diǎn)受熱膨脹，受到周圍材料的約束，因此受X負(fù)方向作用力；之后M點(diǎn)區(qū)域熔化，應(yīng)力迅速減?。划?dāng)光斑離開M點(diǎn)區(qū)域時(shí)，該區(qū)域冷卻收縮，受到X正方向熱應(yīng)力作用，且應(yīng)力迅速升高[3]。

圖4 Set3與Set5中M點(diǎn)X方向瞬時(shí)熱應(yīng)力

Set3與Set5在激光修復(fù)階段和冷卻階段的變化是一致的，其中修復(fù)階段為T1（0～10 s），冷卻階段包括T2階段（10～12 s）和T3部分階段（12～14 s)，在14 s時(shí)兩者的熱應(yīng)力均為215 MPa。在14 s之后Set5中的熱應(yīng)力以非常緩慢的速度上升。由于受到激光二次掃描的影響，Set3中M點(diǎn)前端材料受到激光二次熱作用而膨脹，對(duì)M點(diǎn)形成擠壓，M點(diǎn)區(qū)域開始承受壓應(yīng)力，從而使M點(diǎn)區(qū)域的原有拉應(yīng)力作用逐漸減弱。當(dāng)二次掃描光斑作用于M點(diǎn)區(qū)域時(shí)，即在T3-1階段，壓應(yīng)力作用與原有拉應(yīng)力達(dá)到平衡，M點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)為零。隨著二次掃描激光離開該點(diǎn)，該點(diǎn)區(qū)域逐漸受到X正方向應(yīng)力作用，并在冷卻過(guò)程中逐漸升高，在26 s左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，維持在176 MPa。在27 s時(shí)刻Set3X方向熱應(yīng)力為176 MPa，而Set5X方向熱應(yīng)力則高達(dá)236 MPa，兩者相差60 MPa，由此可知激光二次掃描可明顯降低X方向瞬時(shí)熱應(yīng)力。

圖5為Set3與Set5中M點(diǎn)的Y方向瞬時(shí)熱應(yīng)力變化情況。在前14 s過(guò)程中，兩者的熱應(yīng)力變化情況是一致的，其應(yīng)力變化情況與X方向瞬時(shí)熱應(yīng)力的變化相似。在14 s之后，Set5中的Y方向瞬時(shí)熱應(yīng)力基本恒定，保持在125 MPa左右。而Set3中試樣受到激光二次掃描作用，隨著二次掃描光斑的靠近，Y方向瞬時(shí)熱應(yīng)力由130 MPa的拉應(yīng)力迅速轉(zhuǎn)變?yōu)?80 MPa的壓應(yīng)力。該區(qū)域在二次掃描加熱過(guò)程中由拉應(yīng)力向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變的原因與圖4中的轉(zhuǎn)變是一樣的，但由于修復(fù)層Y方向應(yīng)變較大，從而導(dǎo)致修復(fù)層在受熱膨脹時(shí)受到周圍基體的約束更大，壓應(yīng)力的作用更大，在“中和”掉M點(diǎn)原有的拉應(yīng)力后，壓應(yīng)力繼續(xù)作用，從而導(dǎo)致拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)榱藟簯?yīng)力[4]。之后隨著光斑的遠(yuǎn)離，M點(diǎn)逐漸由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，在23 s之后基本保持恒定，維持在150 MPa。比較Set3與Set5的Y方向瞬時(shí)熱應(yīng)力可得，激光二次掃描使得Y方向瞬時(shí)熱應(yīng)力升高，但升高幅度很小，僅為25 MPa。

圖5 Set3與Set5中M點(diǎn)Y方向瞬時(shí)應(yīng)力

圖6為Set3與Set5中M點(diǎn)的Z方向瞬時(shí)熱應(yīng)力變化情況。兩者的變化規(guī)律基本一致，在修復(fù)階段受到激光直接作用形成熔池時(shí)有應(yīng)力突變發(fā)生，在之后各時(shí)刻中，Z方向基本不受熱應(yīng)力作用。Set3與Set5的區(qū)別在于激光二次掃描過(guò)程中，Set3在二次掃描光斑直接作用下有很小的應(yīng)力突變。由此可知，在激光熱作用過(guò)程中，試樣受到的Z方向熱應(yīng)力很小，因而激光二次掃描對(duì)Z方向熱應(yīng)力幾乎沒(méi)有影響。

圖6 Set3與Set5中M點(diǎn)Z方向瞬時(shí)熱應(yīng)力

綜合M點(diǎn)X、Y、Z方向的瞬時(shí)熱應(yīng)力可知，激光二次掃描顯著減小了X方向的瞬時(shí)熱應(yīng)力，但導(dǎo)致Y方向的瞬時(shí)熱應(yīng)力小幅增加，對(duì)Z方向的熱應(yīng)力幾乎沒(méi)有影響。由三個(gè)方向的瞬時(shí)熱應(yīng)力矢量疊加（見圖7）來(lái)看，激光二次掃描對(duì)降低瞬時(shí)熱應(yīng)力是有利的，二次掃描使熱應(yīng)力降低了60 MPa。

圖7 Set3與Set5中M點(diǎn)瞬時(shí)熱應(yīng)力

2.2.2 殘余拉應(yīng)力分析

瞬時(shí)熱應(yīng)力是判斷激光熱作用過(guò)程中熱力變化的重要參數(shù)。在激光熱作用過(guò)程結(jié)束之后，試樣冷卻至室溫，其內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，此時(shí)存在于試樣內(nèi)部的應(yīng)力為殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力對(duì)于試樣的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程有直接影響，是判別修復(fù)質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要依據(jù)，因此有必要對(duì)激光二次掃描工藝下的殘余應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行研究?；诣T鐵HT250屬于典型的抗壓不抗拉材料，其抗拉強(qiáng)度很低，因此重點(diǎn)研究其殘余拉應(yīng)力。圖8為Set3和Set5中試樣冷卻至室溫后的殘余拉應(yīng)力分布情況。

圖8 Set3和Set5中殘余拉應(yīng)力分布

圖8中的試樣經(jīng)過(guò)約1 800 s的冷卻，溫度已降至室溫，其內(nèi)部拉應(yīng)力達(dá)到穩(wěn)態(tài)。Set3與Set5中的殘余拉應(yīng)力分布基本一致。由于激光熱源主要作用在修復(fù)層，所以殘余拉應(yīng)力主要集中在修復(fù)層和修復(fù)層附近區(qū)域，遠(yuǎn)離修復(fù)層的基體區(qū)域殘余拉應(yīng)力值較低。在修復(fù)層的中部形成了較高的應(yīng)力區(qū)域，而修復(fù)層兩端的應(yīng)力值相對(duì)較低，這說(shuō)明試樣在冷卻過(guò)程中，修復(fù)層中心區(qū)域的收縮情況最為嚴(yán)重。修復(fù)層與基體的交界線兩端出現(xiàn)了最大的拉應(yīng)力，是容易產(chǎn)生裂紋的危險(xiǎn)部位。盡管Set3與Set5中殘余拉應(yīng)力的分布狀態(tài)大體一致，但Set3中的應(yīng)力值比Set5中的應(yīng)力值要小，如Set3修復(fù)層中部拉應(yīng)力值為260 MPa，而Set5為305 MPa；Set3修復(fù)層與基體交界線結(jié)束端的拉應(yīng)力值為293 MPa，而Set5為344 MPa。這說(shuō)明激光二次掃描對(duì)緩解殘余拉應(yīng)力是有效的[5]。

為更好地研究殘余拉應(yīng)力的分布情況，本文選取了不同的路徑研究其殘余拉應(yīng)力。取模型關(guān)于中心截面對(duì)稱的一半，所選取的主要路徑如圖9所示。Line1為激光掃描中心線，Line2為修復(fù)層與基體的交界線，Line3為修復(fù)層橫向路徑，Line4為修復(fù)層和基體的深度方向上的路徑，Line5與Line1平行。根據(jù)兩條路徑間的距離d的不同，可研究激光在掃描方向上不同深度的路徑分布，其中d分別取值為0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm與2.0 mm。

圖9 殘余拉應(yīng)力查看路徑

通過(guò)Line1至Line4路徑，可較為全面地觀察修復(fù)層與基體在長(zhǎng)度方向、橫向方向與深度方向的殘余拉應(yīng)力分布情況，如圖10所示。圖10(a)為L(zhǎng)ine1激光掃描中心線上的殘余拉應(yīng)力分布，在Line1的始端和末端殘余拉應(yīng)力均較小，在Line1中部殘余拉應(yīng)力較大，其中Set5約為265 MPa，而Set3僅為220 MPa，且Set3中殘余拉應(yīng)力的下降趨勢(shì)更為明顯。圖10(b)為L(zhǎng)ine2修復(fù)層與基體交界線上的殘余拉應(yīng)力分布，在修復(fù)起始端的應(yīng)力較大，其中Set3為255 MPa，Set5為274 MPa。由路徑起始端向中部靠近過(guò)程中，應(yīng)力變小且變化過(guò)程逐漸平緩。在靠近路徑末端處，應(yīng)力再次出現(xiàn)波動(dòng)。Line2路徑上Set3與Set5的變化趨勢(shì)是一致的，但是在路徑中部的應(yīng)力平緩區(qū)域，Set5中的殘余拉應(yīng)力比Set3中對(duì)應(yīng)各點(diǎn)的應(yīng)力平均要高25 MPa。修復(fù)層橫向路徑上殘余應(yīng)力的分布如圖10(c)所示。與其余路徑上殘余拉應(yīng)力的分布不同，Line3路徑上的應(yīng)力分布較為均勻，Set3的平均拉應(yīng)力約為230 MPa，而Set5約為263 MPa，兩者相差33 MPa。圖10(d)為修復(fù)層與基體深度方向路徑Line4上的殘余拉應(yīng)力分布，Set3與Set5中的拉應(yīng)力分布幾乎是一致的。在修復(fù)層（0～1 mm）中保持較高的應(yīng)力狀態(tài)，約270 MPa，在修復(fù)層下部（1～2 mm）的路徑中，應(yīng)力急劇下降，在2 mm處降為-6 MPa，之后隨著深度的增加，拉應(yīng)力緩慢上升至45 MPa。這說(shuō)明在激光修復(fù)過(guò)程中，修復(fù)層是激光熱作用最劇烈的區(qū)域，在修復(fù)結(jié)束之后存在很高的殘余拉應(yīng)力，而遠(yuǎn)離修復(fù)層的基體中殘余拉應(yīng)力值很低。

圖10 Set3和Set5中Line1至Line4上的殘余拉應(yīng)力

Line5與Line1平行，通過(guò)d的大小可設(shè)定Line5的深度，Line5反映了不同深度上試樣長(zhǎng)度方向上的殘余拉應(yīng)力分布，如圖11所示。圖11(a)、圖11(b)中d分別為0.5 mm、1.0 mm，則Line5代表了試樣長(zhǎng)度方向上修復(fù)層內(nèi)部的殘余拉應(yīng)力分布情況。修復(fù)層內(nèi)部殘余拉應(yīng)力在兩端較低，在Line5路徑中部，拉應(yīng)力變大且基本保持恒定。圖11(c)、圖11(d)中d分別為1.5 mm和2.0 mm，則Line5代表了修復(fù)層下部基體中的殘余拉應(yīng)力分布情況。與修復(fù)層中的拉應(yīng)力分布不同，靠近修復(fù)層的基體部分在路徑Line5兩端的拉應(yīng)力較大，而在路徑中部殘余拉應(yīng)力較小且基本保持恒定。Set3與Set5在該路徑上的分布基本一致，說(shuō)明激光二次掃描對(duì)該方向路徑上的殘余拉應(yīng)力影響不大。通過(guò)對(duì)各路徑上殘余拉應(yīng)力分布的研究可知，激光二次掃描在減小試樣殘余拉應(yīng)力，尤其在降低修復(fù)層的殘余拉應(yīng)力方面，有較為積極的作用。

圖11 Set3和Set5中Line5上的殘余拉應(yīng)力

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于非線性熱彈塑性理論，采用熱-力間接耦合的有限元分析方法，實(shí)現(xiàn)了表面缺陷的動(dòng)態(tài)填充修復(fù)，改進(jìn)了現(xiàn)有三維熱源以提高熱源表達(dá)效率，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了激光連續(xù)二次掃描工藝措施，建立了激光熱修復(fù)全過(guò)程數(shù)值模型并驗(yàn)證其可靠性，給出了連續(xù)二次掃描熱修復(fù)過(guò)程的熔區(qū)溫度、熱應(yīng)力和熱變形規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)的二次掃描能夠很好地緩解激光熔池瞬間冷凝形成的應(yīng)力集中，有效改善了瞬態(tài)熱應(yīng)力分布情況。