激光熔覆316L不銹鋼熱力耦合數(shù)值模擬.pdf

1、近年來，一種新興的修復(fù)、表層改性和快速成型技術(shù)——激光熔覆，已經(jīng)廣泛運(yùn)用于各行各業(yè)中如航空航天、醫(yī)療器械、軍工機(jī)械等領(lǐng)域。在激光熔覆過程中，由于激光熱源能量密度不均勻、工件受熱極不均勻、加熱速度快、工件溫度高等特點(diǎn)，導(dǎo)致加工過程中熔覆件的熔池溫度場變化分布復(fù)雜，對金屬基體的變形、熔覆層的組織形態(tài)以及裂紋萌生都有很大的影響。針對上述問題，本文采用ANSYS有限元軟件對激光熔覆316L不銹鋼熔池溫度場進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析熔覆過程中不銹鋼溫度

2、場與應(yīng)力場變化過程和分布規(guī)律。主要研究進(jìn)展情況如下:
　　(1)采用有限元軟件中生死單元技術(shù)成功地呈現(xiàn)了激光熔覆過程中溫度場與應(yīng)力場變化過程與分布規(guī)律。分析了熔覆過程中溫度云圖的分布情況，熔道上節(jié)點(diǎn)的動態(tài)變化規(guī)律，穩(wěn)定狀態(tài)下熔池中節(jié)點(diǎn)動態(tài)過程和路徑溫度梯度變化曲線，以及熔池輪廓的形態(tài)、工藝參數(shù)對激光熔覆溫度場分布的影響情況。研究表明:隨著熔覆過程的進(jìn)行溫度云圖由對稱分布變?yōu)椴粚ΨQ分布，激光熔覆至熔道中間位置處達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，熔覆過程

3、中熔覆層表面節(jié)點(diǎn)溫度最高，重熔區(qū)節(jié)點(diǎn)溫度梯度峰值最大，以及搭接率、掃描路徑對溫度場影響較大。
　　(2)在激光熔覆溫度場模擬的基礎(chǔ)上，分析了激光熔覆的應(yīng)力場變化及分布情況。獲得了冷卻一定時間后激光熔覆件應(yīng)力云圖的分布情況，并分析了在掃描方向、深度方向和橫向三個方向上的路徑應(yīng)力曲線變化規(guī)律以及激光工藝參數(shù)對應(yīng)力場的影響情況。研究表明:X方向殘余應(yīng)力分布狀態(tài)表現(xiàn)為拉應(yīng)力分布于熔道的兩端，Y方向殘余應(yīng)力分布狀態(tài)表現(xiàn)為拉應(yīng)力分布在基體中部

4、及以上部位;沿掃描方向、深度方向和橫向三個方向上的路徑殘余應(yīng)力曲線均只有Y方向應(yīng)力呈拉應(yīng)力狀態(tài)，且沿掃描方向的路徑其拉應(yīng)力曲線持水平狀態(tài)，深度方向的路徑其拉應(yīng)力最大值位于基體內(nèi)部，橫向路徑上殘余拉應(yīng)力最大值位于熔道中心位置處。
　　(3)獲得了激光熔覆加工工藝參數(shù)與應(yīng)力場分布之間的對應(yīng)關(guān)系。研究表明:激光功率越大，激光束照射區(qū)域接收到的熱量越多，橫向路徑與深度方向路徑的等效應(yīng)力越大;掃描速度越大，橫向路徑的等效應(yīng)力越大，深度方向上