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齒輪曲面激光熔覆應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬
0 引 言
激光熔覆技術(shù)在材料表面改性、產(chǎn)品表面修復(fù)、提高零部件使用壽命等方面得到廣泛的應(yīng)用[1-3]。但是目前該技術(shù)還面臨不少難題，如激光熔覆工藝參數(shù)選擇、熔覆材料的配對(duì)和新材料的開發(fā)、熔覆層表面和內(nèi)部的質(zhì)量問(wèn)題、熔覆設(shè)備的改進(jìn)等。特別是熔覆層質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性是該項(xiàng)技術(shù)迅速推廣的主要障礙。目前激光熔覆研究多集中在平面基體上的熔覆，實(shí)際應(yīng)用中熔覆會(huì)在各種曲面上進(jìn)行，比如齒輪輪齒的修復(fù)和性能的加強(qiáng)。熔覆層表面平整與否不是判斷熔覆層質(zhì)量好壞的唯一標(biāo)準(zhǔn)，熔覆層有否產(chǎn)生裂紋是一個(gè)更重要的指標(biāo)，裂紋問(wèn)題也是激光熔覆面臨的最大問(wèn)題。齒輪輪齒曲面激光熔覆過(guò)程中裂紋產(chǎn)生的主要原因是熔覆過(guò)程中的溫度與組織變化所引起的內(nèi)應(yīng)力。影響裂紋產(chǎn)生的因素有熔覆層材料物理性能、基體材料物理性能、熔覆層厚度和熔覆工藝等。筆者利用ANSYS 對(duì)齒輪曲面激光熔覆進(jìn)行數(shù)值模擬，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果。
1 數(shù)值模擬影響因素
1.1 建立有限元模型時(shí)熔覆層形貌的處理
熔覆層幾何形貌是指單道激光熔覆層橫截面內(nèi)的形狀及其特征尺寸，主要以熔覆層高度和熔覆層寬度來(lái)描述[4]。影響熔覆層幾何形貌的因素眾多，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，主要影響因素有：激光掃描速度、送粉速率、光斑尺寸、激光功率和離焦量。
觀察熔覆橫截面的掃描電鏡照片（見圖1），表明熔覆層質(zhì)量較好時(shí)的截面都呈拋物線狀，采用MATLAB 對(duì)熔覆層形貌進(jìn)行擬合。根據(jù)熔覆前后能量及質(zhì)量守恒定理進(jìn)行計(jì)算得出熔覆層高度的估算公式。
1.2 數(shù)值模擬時(shí)對(duì)激光功率的處理
激光熔覆時(shí)，通�？紤]對(duì)實(shí)際功率的影響因素有粉末對(duì)激光束的遮蔽和激光入射角的影響。除此之外，由于齒輪齒廓是曲面模擬時(shí)必須對(duì)其引起的激光功率分布不均予以考慮。
熔覆過(guò)程中激光在到達(dá)基體前穿過(guò)送粉器送出的粉末流時(shí)，粉末會(huì)遮擋部分激光束，衰減其到達(dá)基體的能量。粉末遮蔽激光能量的比例通常用遮光率來(lái)表示即粉末遮擋的激光功率與激光束輸出功率之比，根據(jù)粉末流速度、送粉流半徑、粉末顆粒半徑和激光束半徑等可計(jì)算得到粉末遮蔽率[5]。
齒輪熔覆掃描工藝主要有2 種：周向掃描和軸向掃描。實(shí)驗(yàn)采用軸向掃描工藝，即激光束不動(dòng)，以一定的角度照射到輪齒表面，而齒輪也固定只做軸向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)完成一個(gè)輪齒的齒面熔覆后，轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪以同樣的方法熔覆其他的輪齒。激光掃描時(shí)，齒廓上從基圓至齒頂圓任一點(diǎn)K 處的激光入射角kλ 可根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算得出[6]。已知激光束入射角度即可得到齒輪齒面任意一點(diǎn)處材料對(duì)激光的吸收率[7]。
相變分析必須考慮材料的潛熱，即在相變過(guò)程吸收或釋放的熱量，通過(guò)定義材料的焓特性來(lái)計(jì)入潛熱。在ANSYS 數(shù)值模擬中，焓材料特性為比焓。當(dāng)比焓在某些材料中不能使用時(shí)，可用密度、比熱容和物質(zhì)潛熱計(jì)算得出。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用SLC-20X30D 數(shù)控激光多功能加工機(jī)，配備ROFIN DC 030 激光器、側(cè)向自動(dòng)送粉器、西門子數(shù)控系統(tǒng)和四軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床。試驗(yàn)材料采用標(biāo)準(zhǔn)漸開線直齒圓柱齒輪，材料分別為10 鋼和45 鋼，齒寬45 mm，壓力角20°，模數(shù)為5，齒數(shù)為50。熔覆材料為Ni60 自熔性合金粉末，粒度45~105 μm。熔覆前齒面用砂紙打磨，掃描時(shí)不使用保護(hù)氣體，熔覆后自然冷卻。45 鋼表面熔覆Ni60 的工藝參數(shù)見表1。裂紋數(shù)單位為條（定義為肉眼可見的宏觀裂紋）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如所示。
齒輪材料為10 鋼和45 鋼時(shí)在不同送粉率條件下產(chǎn)生的裂紋條數(shù)見表2。粉末為Ni60。其他工藝參數(shù)：功率1 100 W，掃描速度3 mm/s。
2.2 數(shù)值模擬結(jié)果
筆者進(jìn)行了4 組應(yīng)力場(chǎng)的模擬計(jì)算：①采用45 鋼為基體材料，Ni60 為熔覆材料；②采用10 鋼為基體材料，Ni60 為熔覆材料；③采用10 鋼為基體材料，1Cr18Ni9Ti 為熔覆材料；④采用45 鋼為基體材料，Ni60 為熔覆材料，預(yù)熱到400 ℃。4 組模擬計(jì)算的工藝參數(shù)均為：激光功率1 100 W，掃描速度3 mm/s，送粉速率4 g/min。圖4、6、8、10 是熔覆層與基體結(jié)合處中點(diǎn)位置的應(yīng)力隨時(shí)間變化圖。圖5、7、9、11 是端面熔覆層橫截面應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果。
比較模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，10 號(hào)鋼與Ni60 合金粉末匹配組時(shí)熔覆層應(yīng)力值最大，其次是10號(hào)鋼與1Cr18Ni9Ti 粉末匹配組，45 號(hào)鋼與Ni60 合金粉末匹配組相對(duì)較小。比較圖4、5 與圖10、11 可知預(yù)熱基體后，熔覆層的應(yīng)力值減小，熔覆層產(chǎn)生裂紋的傾向越小。不同的材料匹配下應(yīng)力走向趨勢(shì)是一致的，都是在熔覆層與基體相交的部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，隨著冷卻時(shí)間的推移應(yīng)力降低并趨于一個(gè)定值。對(duì)比模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同的材料應(yīng)力值大小不同，因而產(chǎn)生裂紋的傾向也不同。此外，基體預(yù)熱后熔覆層應(yīng)力減小。
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出在相同的熔覆工藝參數(shù)下10 號(hào)鋼相比45 號(hào)鋼更易產(chǎn)生裂紋，即45 號(hào)鋼與Ni60 比10 號(hào)鋼與Ni60 材料的匹配性能更佳。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明材料匹配是影響裂紋產(chǎn)生的重要因素。選擇合適的材料匹配能夠減少加工過(guò)程中的溫度梯度，減小熔覆層中應(yīng)力集中，避免裂紋的產(chǎn)生。此外，基體預(yù)熱也能減少裂紋的產(chǎn)生。數(shù)值模擬對(duì)預(yù)防熔覆層裂紋產(chǎn)生有一定的指導(dǎo)作用。
3 結(jié) 論
1）對(duì)熔覆層形貌尺寸進(jìn)行了計(jì)算，提出了熔覆層高度的估算公式。
2）數(shù)值模擬時(shí)除考慮粉末遮蔽、激光入射角對(duì)實(shí)際功率的影響外，著重提出了曲面引起激光功率分布不均的處理辦法。此外，還引入了處理熔覆過(guò)程中相變的處理辦法。
3）對(duì)不同材料匹配的齒輪激光熔覆進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明材料的匹配對(duì)熔覆層裂紋有很大的影響。模擬基體預(yù)熱前后的溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)，結(jié)果表明基體預(yù)熱也是減少裂紋產(chǎn)生的一種有效手段。
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