模具钢激光熔覆的温度场数值计算研究.PDF

第２６卷第３期 镇 江 高 专 学 报 Ｖｏｌ．２６　Ｎｏ．３ ２０１３年７月 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＺｈｅｎｊｉａｎｇＣｏｌｌｅｇｅ Ｊｕｌｙ，２０１３ 模具钢激光熔覆的温度场数值计算研究 张培磊，卢云龙，马　凯，褚振涛，史海川，闫　华 （上海工程技术大学材料工程学院，上海　２０１６２０） 摘　要：使用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ对激光熔覆的表面温度场进行模拟与分析。使用参数化设计语言ＡＰＤＬ实 现对移动载荷的加载及ＡＮＳＹＳ生死单元方法模拟粉末逐步熔覆的过程。结果表明，激光熔覆是典型的急冷急热 加工过程，热影响区成后拖的偏椭圆状图形且面积随时间进行逐渐增大，熔池中心温度随着激光功率的增加而升 高，随激光扫描速度的增加而下降，但下降幅度不大。 关键词：激光熔覆；ＡＮＳＹＳ；温度场；数值模拟 中图分类号：ＴＧ１７４３９　　　　　　文献标志码：Ａ　　　　　　文章编号：１００８－８１４８（２０１３）０３－００４５－０４　 　　激光熔覆是一种利用高能激光束显著改善基体材 受液体流动的影响。７）假设入射激光的输入不受 ［１］ ［７－８］ 料表面性能等的工艺方法 。由于进行激光熔覆时熔 气体物质的影响 。 池的尺寸较小，温度极高，熔覆过程中的热物理过程及 根据激光的波粒二相性及其与材料相互作用的 微观组织结构变化等过程非常复杂，熔池中液体的温 特性，激光输入模型可分为表面输入和体输入 ２ ［２－４］ ［９］ 度分布很难通过实验方法来测量 。数值模拟的方 种 。在本次模拟中，采用近似于高斯热源的处理 法由于适合研究激光熔覆的温度场在不同工艺参数条 ［１０］ 方法 。在整个激光熔覆过程中，激光束处于运动 ［５］ 件下的变化规律而受到越来越多的关注 。 状态，故采用ＡＮＳＹＳ的参数化设计语言ＡＰＤＬ编写 本文利用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ对激光熔覆 ［１１］ 宏命令，以实现激光束热源的运动 。本文中模拟 过程中工件表面的温度场进行模拟与分析，使用参 ［１２］ 的热分析的单元采用了ＳＯＬＩＤ７０ 。 数化设计语言ＡＰＤＬ实现对移动载荷的加载，并采 １．２　材料热物理性能参数 用ＡＮＳＹＳ生死单元方法模拟粉末逐步熔化的过程， 在熔覆过程中，基体表面局部区域被激光瞬间 ［６］ 分析激光功率对温度场的影响 。 加热到高温状态，激光熔覆温度场在模拟计算时属 １　ＡＮＳＹＳ的激光熔覆温度场模拟 于非线性瞬态热分析，因此，给出特定热物理性能参 数随温度变化的数值是必要的。Ｐ２０的热物理性能 １．１　温度场模型的建立 ［１３］ 如表１所示 。熔覆层Ｈ１３的厚度比较薄，只有约 本文模拟了利用ＣＯ激光器在热