李廣琪 朱剛賢 王麗芳 趙 亮 石世宏

1.蘇州大學(xué)機(jī)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，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(chǎng)，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(diǎn)。目前對(duì)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(duì)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(duì)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(diǎn)位于基材下方且激光聚焦點(diǎn)在基材上方時(shí)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(duì)熱行為的影響，發(fā)現(xiàn)采用低激光功率、高掃描速度會(huì)導(dǎo)致零件產(chǎn)生裂紋傾向。李亞敏等[6]針對(duì)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(lái)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(shí)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(shí)心光斑熔覆時(shí)造成的熔道邊緣塌陷現(xiàn)象，彌補(bǔ)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(duì)熔覆層成形質(zhì)量有顯著影響?；诖?，筆者利用數(shù)值模擬，對(duì)不同離焦量下的單道熔覆層溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了研究并對(duì)熔覆層深度方向上的殘余應(yīng)力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jī)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(shí)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(diǎn)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(diǎn)(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(diǎn)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(diǎn)(x,y)處所加載的能量。z=0時(shí)，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(gè)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(shí)間內(nèi)完成，實(shí)際的熔覆層尺寸較小，為簡(jiǎn)化模型、方便計(jì)算，對(duì)模型做以下假設(shè)：①熔覆層與基體材料都近似為一個(gè)規(guī)則的長(zhǎng)方體，各截面為規(guī)則的長(zhǎng)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(huì)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(dòng)作用對(duì)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(zhǎng)30 mm、高0.4 mm，離焦量為0、-1 mm、-2 mm、-3 mm、-4 mm時(shí)，熔覆層對(duì)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(shí)的溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律，以熔覆層表層中心節(jié)點(diǎn)O為起點(diǎn)，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(jì)算結(jié)果及分析

3.1 溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

3.1.1溫度場(chǎng)分布云圖

通過計(jì)算可知，熔覆層激光掃描時(shí)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(shí)的溫度分布圖和光斑中心橫截面等溫線圖。

溫度場(chǎng) 橫截面溫度分布(a)z=0

由圖4可知，離焦量為0時(shí)，激光光斑形狀為實(shí)心圓，能量呈高斯函數(shù)分布，集中在焦點(diǎn)，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(shí)，光斑形狀接近實(shí)心圓，最高溫度達(dá)到3312 ℃，這是因?yàn)楣獍呓咏裹c(diǎn)，能量較為集中，且熔池在短時(shí)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(duì)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(jì)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(shí)，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(diǎn)，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(diǎn)溫度-時(shí)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(diǎn)溫度-時(shí)間曲線，可以看出，不同離焦量時(shí)節(jié)點(diǎn)O的溫度變化曲線趨勢(shì)一致，即在未掃描到該節(jié)點(diǎn)位置時(shí)，溫度較低，為室溫；激光掃描到該節(jié)點(diǎn)時(shí)，溫度快速上升，迅速達(dá)到溫度峰值；激光離開節(jié)點(diǎn)后，溫度迅速下降，這表明激光掃描是一個(gè)急熱急冷的過程。離焦量為0時(shí)，光斑為圓形實(shí)心光斑，節(jié)點(diǎn)在整個(gè)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(shí)，節(jié)點(diǎn)在整個(gè)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?yàn)樵趻呙柽^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(bǔ)償。隨著離焦量的增大，溫度峰值逐漸減小，無(wú)光區(qū)域面積增大，兩個(gè)溫度峰值之間的時(shí)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(diǎn)時(shí)，不同離焦量下路徑1上各個(gè)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)到最小；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(shí)，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(shí)，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?yàn)樵诮雍厦嫣?，基材?dǎo)熱能力較強(qiáng)，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?yàn)殡x焦量增大導(dǎo)致中空無(wú)光區(qū)域所占比增大，熱傳導(dǎo)作用減弱，單位長(zhǎng)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(chǎng)計(jì)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(shí)，X方向殘余應(yīng)力都呈對(duì)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?yàn)槿鄹矊訉挾扔邢?，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?yàn)榧す鈷呙璺较虻拈L(zhǎng)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(duì)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(shí)，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(duì)稱分布。離焦量為0時(shí)，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(shí)，整個(gè)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?yàn)殡x焦量增大時(shí)，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(zhǎng)度內(nèi)的溫差增大。凝固收縮時(shí)，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(duì)比可知，離焦量為負(fù)值時(shí)，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(shí)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(shí)，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(shí)，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?yàn)殡x焦量的增大擴(kuò)大了中空無(wú)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(zhǎng)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(shí)的殘余應(yīng)力最大值為253 MPa，小于離焦量為0時(shí)的應(yīng)力，再次證實(shí)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(shí)，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(shí)驗(yàn)測(cè)定殘余應(yīng)力分布

4.1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

本文中的基材與熔覆層材料均為316L不銹鋼，實(shí)驗(yàn)采用2KW-IPG光纖激光器、KUKA機(jī)器人系統(tǒng)控制單元，送粉載氣和保護(hù)氣均選用氮?dú)?。單道激光熔覆?shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(cè)定儀X-350A對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)定。為獲得路徑1的Y方向殘余應(yīng)力，采用飽和NH4Cl溶液對(duì)試樣進(jìn)行逐層剝離電解拋光，逐層測(cè)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(shí)驗(yàn)

圖12 Y方向殘余應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

由圖9b實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果可知，整個(gè)熔覆層區(qū)域殘余應(yīng)力均為拉應(yīng)力，殘余應(yīng)力實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的分布趨勢(shì)一致，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的正確性，同時(shí)也看出實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果存在一些差異。一方面是因?yàn)橛邢拊Ｐ途W(wǎng)格由于計(jì)算條件的限制，不能劃分太細(xì)，導(dǎo)致計(jì)算產(chǎn)生誤差；另一方面樣件在實(shí)驗(yàn)剝離過程中有測(cè)量誤差，因此仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)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(shí)，熔覆層溫度分布更均勻，溫度梯度較小。

(2)離焦量為0時(shí)，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(shí)，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(shí)，熔覆層Y方向殘余應(yīng)力最大值較0離焦量時(shí)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(shí)的最大殘余拉應(yīng)力比離焦量為0時(shí)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。