送粉式激光熔覆成形三维温度场数值模拟研究

发布时间：2017-04-20 14:07

  本文关键词：送粉式激光熔覆成形三维温度场数值模拟研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来，送粉式激光熔覆成形技术在金属零件成形及修复领域得到日益广泛的应用。由于激光熔覆成形是一个复杂的物理及冶金过程，影响成形质量的工艺参数较多，成形质量难以控制。激光熔覆成形温度场和应力场的分布情况，特别是成形过程的温度梯度、冷却速率和应力分布对熔覆层质量和裂纹的形成有着直接影响。但是，由于送粉式激光熔覆成形过程是一个急速的熔化及凝固过程，采用实验方法测量熔池温度场和应力场的变化规律十分困难。因此，本文采用数值模拟与实验研究相结合的方法，对送粉式激光熔覆成形过程中温度场和应力场进行研究，，以揭示激光熔覆成形组织生长形态及熔覆层裂纹的形成机理。 首先，采用有限元分析软件ANSYS的APDL语言进行参数化编程，建立了送粉单道、多道搭接及单道多层激光熔覆成形过程的三维瞬态温度场有限元模型。分析了熔覆成形过程熔覆层温度场分布、不同节点的温度—时间历程及温度变化规律、熔池轮廓的变化，并确定了一种测量熔池深度的方法。研究结果表明：熔覆层温度场分布呈现不同的特征，不同节点的温度—时间历程呈周期性变化。熔覆层端点处节点的最高温度高于中间部位节点的最高温度，存在“端部效应”。激光熔覆成形过程具有很高的温度梯度及冷却速率，分别达到10~5℃/s及10~3℃/s，通过对熔覆层不同深度节点温度梯度的分析，研究了熔覆过程温度梯度的分布情况对熔覆层组织及生长方向的影响。模拟分析了激光工艺参数对激光熔覆成形过程温度场的影响，为送粉式激光熔覆成形工艺参数的优化提供了理论依据。 其次，在温度场有限元模拟分析的基础上，进行了送粉式多层激光熔覆成形热—力耦合分析。结果表明：沿激光扫描方向(X轴正向)拉应力最大，因此，熔覆层裂纹多垂直于结合面而垂直开裂；在熔覆层与基体交界处及熔覆层端部应力较大，是裂纹的高发区。通过对熔覆层某节点三个方向上的塑性应变进行分析，揭示了激光熔覆层裂纹的两种形态：热裂纹和固态冷却裂纹，并分析了影响裂纹形成的因素，为减少和消除熔覆层裂纹提供了理论基础。 最后，通过激光熔覆成形试验，对激光熔覆成形组织和开裂行为进行了分析，所得结果与温度场数值模拟结果吻合较好，验证了数值模拟结果的正确性。
【关键词】：激光熔覆成形 温度场 应力场 数值模拟 温度梯度 裂纹
【学位授予单位】：太原科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TG665
【目录】：

• 中文摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 第一章 绪论9-19
• 1.1 引言9
• 1.2 激光熔覆成形概述9-13
• 1.2.1 激光熔覆成形的原理9-10
• 1.2.2 激光熔覆成形技术的特点10-11
• 1.2.3 激光熔覆成形技术的应用11-13
• 1.2.4 激光熔覆成形技术存在的问题及发展方向13
• 1.3 激光熔覆成形温度场数值模拟的研究状况13-16
• 1.3.1 激光熔覆成形温度场数值模拟国内外的研究进展13-15
• 1.3.2 激光熔覆成形温度场数值模拟存在的问题及发展方向15-16
• 1.4 选题背景及意义16-17
• 1.5 主要研究的内容17-19
• 第二章 送粉式激光熔覆成形温度场有限元模型的建立19-33
• 2.1 有限元概述19-20
• 2.1.1 基本问题19
• 2.1.2 有限元分析法的原理19
• 2.1.3 送粉式激光熔覆成形温度场数值模拟有限元软件的选择19-20
• 2.2 激光熔覆成形过程传热模型20-21
• 2.2.1 激光熔覆成形过程的热传导20-21
• 2.2.2 激光熔覆成形过程的热对流21
• 2.2.3 激光熔覆成形过程的热辐射21
• 2.3 粉末与激光相互作用的模型21-24
• 2.3.1 遮光率22-23
• 2.3.2 粉末温升的数学模型23-24
• 2.4 激光热源模型24-25
• 2.4.1 解析式激光热源模型24-25
• 2.4.2 本文激光热源模型的建立25
• 2.5 送粉式激光熔覆成形温度场有限元模型的建立25-31
• 2.5.1 单元类型的选择26
• 2.5.2 有限元模型简化的原则26
• 2.5.3 材料的选取及其热物性参数26-27
• 2.5.4 能量平衡方程与边界条件27-28
• 2.5.5 几何模型的建立28-30
• 2.5.6 划分网格30-31
• 2.6 生死单元技术31-32
• 2.7 激光热源的加载与移动32
• 2.8 本模型的参数化特征32
• 2.9 本章小结32-33
• 第三章 送粉式激光熔覆成形温度场有限元模拟结果分析33-57
• 3.1 激光工艺参数对温度场的影响33-41
• 3.1.1 激光功率对温度场的影响33-36
• 3.1.2 激光扫描速度对温度场的影响36-39
• 3.1.3 激光半径尺寸对温度场的影响39-41
• 3.1.4 最佳激光熔覆成形工艺参数41
• 3.2 送粉式单道激光熔覆温度场有限元模拟结果分析41-42
• 3.3 送粉式多道搭接激光熔覆温度场有限元模拟结果分析42-50
• 3.3.1 温度场分布42-43
• 3.3.2 沿激光扫描方向熔覆层表面取样点温度—时间历程分析43-45
• 3.3.3 节点温度梯度分析45-46
• 3.3.4 节点冷却速率分析46-48
• 3.3.5 熔池深度及熔池轮廓的分析48-49
• 3.3.6 多道搭接熔覆重熔现象的分析49-50
• 3.4 送粉式多层激光熔覆成形温度场有限元模拟结果分析50-54
• 3.4.1 温度场分布50-51
• 3.4.2 特征点温度-时间历程分析51-52
• 3.4.3 节点温度梯度分析52-54
• 3.4.4 节点冷却速率分析54
• 3.5 本章小结54-57
• 第四章 送粉式激光熔覆成形热力耦合的数值模拟57-65
• 4.1 激光熔覆成形应力场数值模拟求解过程58-59
• 4.1.1 单元类型的转换58
• 4.1.2 边界条件的设定及温度场结果的读取58
• 4.1.3 材料的力学性能参数58-59
• 4.2 送粉式激光熔覆成形应力场结果分析59-64
• 4.2.1 熔覆层某一节点的应力-时间历程分析59-60
• 4.2.2 激光熔覆成形中的应变分析60-63
• 4.2.3 裂纹产生机理及其影响因素63-64
• 4.3 本章小结64-65
• 第五章 送粉式多层激光熔覆成形熔覆层微观组织分析65-69
• 5.1 激光熔覆中的固液界面转变65-66
• 5.1.1 实验设计65
• 5.1.2 结果与分析65-66
• 5.2 激光熔覆中的枝晶生长现象66-67
• 5.3 本章小结67-69
• 第六章 结论与展望69-71
• 参考文献71-75
• 致谢75-77
• 攻读学位期间发表的学术论文77-78

【参考文献】

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本文编号：318825