激光熔覆残余应力场的数值模拟_顾建强

第 38 卷 增刊 红外与激光工程 2009 年 11 月 Vol 38 Supplement Infrared and Laser Engineering Nov 2009 收稿日期 收稿日期 2009 09 17 基金项目 基金项目 浙江省自然科学基金 Y107489 浙江省重中之重开放基金 AMT200506 009 作者简介 作者简介 顾建强 1984 男 浙江人 硕士研究生 主要从事激光加工过程数值模拟研究 Email acailaogu1984 导师简介 导师简介 姚建华 1965 男 浙江杭州人 教授 主要从事激光加工技术方面的研究 Email laser 激光熔覆残余应力场的数值模拟激光熔覆残余应力场的数值模拟 顾建强 姚建华 骆 芳 胡晓冬 陈智君 浙江工业大学 特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室 激光加工技术工程研究中心 浙江 杭州 310014 摘要摘要 为了研究激光熔覆残余应力场的分布情况 在 45 钢表面采用同步送粉工艺熔覆 H13 粉 并对熔覆层的残余应力进行了测定 运用有限元分析技术 采用热力弱耦合的分析方法 建立了同 步送粉激光熔覆残余应力场模型 试验数据与模拟结果进行了比对 结果表明 熔覆结束后熔覆层 处于拉应力状态 考察了熔覆层表面垂直于激光扫描方向路径上的应力分布状态 发现其纵向应力 数值大于横向应力 在熔覆层与基体的熔合线附近 出现了相对的应力集中 激光熔覆过程中产生 的纵向残余拉应力是导致熔覆层开裂的主要原因 利用数值模拟技术可以预测残余应力分布 关键词关键词 残余应力 激光熔覆 有限元 中图分类号中图分类号 TG456 7 文献标识码 文献标识码 A 文章编号 文章编号 1007 2276 2009 增 D 0462 06 Numerical simulation of residual stress field in laser cladding process GU Jian qiang YAO Jian hua LUO Fang HU Xiao dong CHEN Zhi jun Key Laboratory of Special Purpose Equipment and Advanced Processing Technology Zhejiang University of Technology Ministry of Education Research Center of Laser Processing Technology and Engineering Zhejiang University of Technology Hangzhou 310014 China Abstract In order to study the distribution of residual stress field in laser cladding process using Synchronous Powder feeding H13 powder was cladded on 45 steel substrate and the residual stress of the cladded layer and the substrate had been measured By the finite element techniques and the thermo mechanical weak coupling s the residual stress field model of a synchronous powder feeding laser cladding process was established The simulation results were compared with the experimental data The results show that the cladded layer is in a tensile stress state the stress distribution along a path perpendicular to the laser scanning direction had been analyzed it has been found that the longitudinal stress values are greater than the horizontal stress on this path A relative stress concentration is appeared near the fusion line between the cladded layer and the substrate The longitudinal residual tensile stress which had arisen in the Laser cladding process is the main reason for cracking of the cladded layer the distribution of residual stress had been predicted by use of numerical simulation technology Key words Residual stress Laser cladding Finite element 增刊 顾建强等 激光熔覆残余应力场的数值模拟 463 0 引引 言言 激光熔覆是个快速熔凝过程 熔覆过程中的变形 和开裂问题 一直受到人们的关注 并在一定程度上 限制了激光熔覆技术在工程实际中的应用 熔覆层的 内应力以及残余应力是导致激光熔覆变形和开裂的 主要原因 影响激光熔覆层残余应力的因素很多 其 分布状态很复杂 而残余应力的存在将对工件的力学 性能和使用寿命产生很大的影响 对激光熔覆残余应 力的研究可以从两方面入手 一是通过实验测试的方 法 如 X 射线衍射法 钻孔法 研究熔覆层中残余 应力的分布特点 二是利用数值计算方法计算激光熔 覆过程中材料被加热熔化 随后又冷却凝固时的热弹 塑性力学行为 从而进一步分析熔覆层中残余应力的 产生机制 由于激光熔覆过程快速熔凝的特点 各种 参量以及整个热影响区的温度场和应力应变场难以 进行实时的实验测定 因此运用数值模拟方法研究激 光熔覆残余应力场 既能验证试验测量的结果 又能 克服试验测量方法的缺点 具有理论和实际的双重意 义 文中运用有限元方法 采用 ansys 通用有限元分 析程序 建立了激光熔覆过程三维有限元分析模型 在温度场分析的基础上 进一步得到了激光熔覆残余 应力场的分布 1 分析方案分析方案 采用热力弱耦合方法进行激光熔覆残余应力的 分析计算 即先计算温度场 再把温度场计算结果作 为载荷加载到应力场模型进行分析 最后得到激光熔 覆残余应力场的分布 温度场分析是残余应力场分析 的基础 进行温度场分析时作如下假设以简化模型 1 材料为各向同性 2 忽略熔池流体的流动作用 3 忽略材料的气化 2 基体选择 45 号结构钢 AISI1045 其化学成分见表 1 熔覆层材料H13 的 化学成分见表 2 表表1 45号钢化学成分号钢化学成分 wt Tab 1 Chemical composition of 45 steel wt C Mn P S Fe 0 43 0 5 0 6 0 9 0 04 0 05 余量 表表2 H13化学成分化学成分 wt Tab 2 Chemical composition of H13 wt C Mn Si Cr 0 32 0 45 0 2 0 5 0 8 1 2 4 75 5 5 Ni Mo V Fe 0 3 1 1 1 75 0 8 1 2 余量 1 1 材料热物理性能材料热物理性能 熔覆层材料 H13 和基体材料 45 钢的热物性参数 如图 1 和图 2 所示 图 1 H13 和 45 钢的热传导系数 Fig 1 Thermal conductivity of H13 and 45 steel 图 2 H13 和 45 钢的比热容 Fig 2 Specific heat capacity of H13 and 45 steel 464 红外与激光工程 激光制造技术及应用 第 38 卷 熔覆层材料 H13 和基体材料 45 钢的力学性能参 数如图 3 和图 4 所示 图 3 H13 和 45 钢的屈服强度 Fig 3 Yield strength of H13 and 45 steel 图 4 H13 和 45 钢的弹性模量 Fig 4 Elastic modulus of H13 and 45 steel 1 2 边界条件和初始条件边界条件和初始条件 温度场模型中设定模型的初始温度为 20 模 型各个表面 除对称面外 均采用表面效应单元施加 对流边界条件 模型对称面设定为绝热边界条件 对 流边界条件表示为 sf T k TT n 1 式中 为热传导系数 k 为随表面温度变化而变化 的对流换热系数 见表 3 为表面温度 为外 界环境介质温度 s T f T 表表3 对流系数对流系数 Tab 3 Convection coefficient 项 目 数 值 温度 20 200 600 1200 2000 对流系数 W m 2 K 16 20 60 200 500 应力场模型中 考虑到模型的对称性 在对称面 上的节点上施加垂直于对称面方向的位移约束为零 1 3 模型的建立模型的建立 激光熔覆过程属于高度非线性问题 激光熔覆过 程中产生应力和变形的根本原因在于熔覆过程中不 均匀的加热和冷却 因而对激光熔覆温度场的研究是 应力应变分析的前提 激光熔覆过程中不同程度上存在热传导 热对 流 热辐射三种传热方式 但熔覆层与基体之间的热 传递方式以热传导为主 非线性瞬态热传导微分方程 表示如下 p xyz TTT Qc xxyyzzt T 2 式中 T为温度 为材料密度 cp为比热容 Q为内 热源 xyz 为材料沿各个方向的导热系数 在模 型中考虑比热容和导热系数随温度的变化 见图 1 和图 2 激光能量通过生热率的方式加载到模型中 进行求解 当物体各部分温度发生变化时 物体将由于热变 形而产生线应变a T T0 其中a是材料的热膨胀系数 T是物体内任一点现时的温度值 T0是初始温度值 如果物体各部分的热变形不受任何约束时 则物体上 有变形而不引起应力 但是物体由于约束或各部分温 度变化不均匀 热变形不能自由进行时 则在物体中 产生应力 物体由于温度的变化而引起的应力称为热 应力 当物体的温度场T已经求得时 就可以进一步 求出物体各部分的热应力 因此在计算得到激光熔覆 温度场的基础上 把温度场计算结果作为应力场模型 的载荷进行加载 即可求解得到激光熔覆应力场的分 布 为减少计算时间 利用对称性 取实际工件的一 半建立有限元模型 模型尺寸为50 mm 30 mm 6 mm 熔 覆层横截面设为半圆形 半径 高度 为 1 mm 对模型进行网格划分 为实现从温度场单元到应 力场单元的顺利转换 模型采用映射网格划分 为保 证计算精度 同时适当减少模型的计算时间 采用非 均匀的网格划分 在熔覆层及热影响区部位进行了网 格细化 生成有限元网格图如图 5 所示 考虑到在实际操作过程中一般采用同步送粉方 式进行激光熔覆 所以热源载荷选取体积生热的方式 处理激光能量的输入 这种处理方法比较符合实际工 增刊 顾建强等 激光熔覆残余应力场的数值模拟 465 况 且熔覆层上表面可设定为热对流表面 图 5 有限元网格图 Fig 5 Finite element mesh 为实现工件表面与空气的对流换热系数随表面 温度变化而变化 引入了 ansys 软件中的表面效应单 元来实现这一功能 为实现激光熔覆