CN101824514A - 高精度预置式激光熔覆涂层温度场仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对目前预置式激光熔覆过程温度场数值模拟方法所存在的不足，公开了一种高精度预置式激光熔覆涂层温度场仿真方法，它通过将几何模型分为气孔模型和冶金化模型及动态地改变接触热阻进行仿真，充分利用了ANSYS软件强大的模拟功能，所述的结果精度高，真实性好，为激光熔覆研究提供了切实可行的手段。

Description

高精度预置式激光熔覆涂层温度场仿真方法

技术领域

本发明涉及一种热加工温度场的仿真方法，属于计算机技术在工程技术中的具体应用研究，尤其涉及一种预置式激光熔覆过程中的温度场仿真方法，具体地说是一种高精度预置式激光熔覆涂层温度场仿真方法。

背景技术

众所周知，激光熔覆是一种快速加热、快速冷却的工艺方法，利用红外测温仪和热电偶都很难全面测量出激光熔覆过程的温度变化情况，因此利用有限元求解温度场的方法已成为求解激光熔覆过程温度场的一种有效手段。由于压片存在着气孔以及压片与基材之间存在着接触热阻，当压片中某区域发生熔化后，就会把原有的气孔剔除出去，气孔的剔除影响着压片的物性参数和厚度，导致熔化前后压片的材料属性发生变化和厚度的减小；当基材表面产生熔化后，压片与基材之间接触形式发生改变，即间隙接触转变成冶金化结合，导致了接触热阻发生变化，因此气孔的剔除和压片与基材之间接触形式的改变必然影响着温度场(压片预置式激光熔覆过程如图2)。在压片预置式温度场仿真中，还没有人在仿真过程中动态地更改单元的材料属性、以及实现压片厚度变化和接触热阻变化对温度的影响。

在《基于ANSYS的压片预置式激光熔覆温度场仿真》(作者：马浩，王珉等，2009，38(4)《机械制造与自动化》-92-94)中，采用面积等效厚度法把整个压片的厚度折算出熔化后的厚度，这与压片中未熔化部分的厚度不变相矛盾，还忽略了熔覆前后的材料属性变化对其温度场的影响，压片的气孔率较大(文中为37.5％)，熔覆前后的材料属性间差别明显较大，忽略材料属性的变化将极大地影响仿真结果。因此，根据激光熔覆的特点发明一种高精度的仿真方法是提高激光熔覆质量，改善复合材料特性的关键。

发明内容

本发明的目的是针对现有的预置式激光熔覆温度场仿真精度不高，难以在工业实际应用的问题，根据预置式激光熔覆中存在气孔和接触热阻变化较大的特点，发明一种高精度预置式激光熔覆涂层温度场仿真方法。

本发明的技术方案是：

一种高精度预置式激光熔覆涂层温度场仿真方法，它包括以下步骤：

(1)在ANSYS软件中建立预置层和基材的几何模型；

(2)根据熔覆前后熔覆材料的物性参数和基材物性参数，定义材料属性；

(3)根据定义的材料属性进行网格划分；

(4)设置接触热阻；

(5)热源加载及温度场求解；

其特征是：

(1)在建立预置层的几何模型时分别建立预置层的冶金化几何模型和气孔几何模型，它们的几何形状都是长方体，并且冶金化几何模型在气孔几何模型的上面，它们的高度关系满足以下条件：

H_冶+H_气＝H

式中：H_治为冶金化几何模型的高度，其大小等于熔覆层的厚度；

H_气为气孔模型的高度；

H为预置层的厚度；

(2)在预置层和基材的接触表面上设置“间隙接触”和“冶金化结合接触”两个接触对，两个接触对分别对应着两个接触热导率，接触热导率等于接触热阻的倒数，利用生死单元技术使较大的接触热阻起作用，而较小的接触热阻不起作用，

间隙接触和冶金化结合接触热阻计算公式如下：

$R_t=\frac{{2h}_f}{k_1{\mathrm{\λ}}_1+k_2{\mathrm{\λ}}_2+k_3{\mathrm{\λ}}_3}$

式中：R_t为接触热阻(m²·℃/W)

h_f为接触表面的轮廓最大高度(m)

λ₁、λ₂和λ₃分别为粉末片、基材和空气的热导率(W/m·℃)

k₁、k₂和k₃是常数，k₁和k₂在0～0.5之间，分别反映粉末片和基材的热导率，热导率越大，其值就越小；对于间隙接触k₃＝0.696，对于冶金结合k₃＝0。

所述的根据熔覆前后熔覆材料的物性参数和基材物性参数定义的材料属性为：

对于预置层，定义三种材料属性，分别为材料属性1、2和3，每种材料属性包括比热容、密度、热导率和表面换热系数；材料属性1对应着熔化前的预置层材料属性；材料属性2对应着熔化后的预置层材料性；材料属性3为物性参数，并定义密度和比热容为0，表面换热系数为0，热导率为正交类型，即只进行垂直方面的传热，没有横向的传热；即TXX＝TYY＝0，TZZ＝1×10⁹；

其中材料属性2为已知值，根据材料属性2的物性参数，材料属性1的物性参数数值通过以下公式折算得到：

$\frac{X_1}{X_2}=\frac{1-\mathrm{\φ}}{1+\mathrm{\φ}}$

式中：X₁为熔化前预置层材料的物性参数，

X₂为预置层熔化后的物性参数，

φ是压片的气孔率；

对于基材，只定义一种材料属性，材料属性编号为4，基材熔化前后对应同一种物性参数。

具体进行网格化划分时应根据选取的材料属性进行，并在选取材料属性1时利用8节点的三维热分析单元SOLID70单元类型，用VMESH命令对冶金化模型和气孔模型进行网格划分；选取定义的材料属性4对基材模型进行网格划分。

所述的热源加载及温度场求解过程为：

一次加载热源，设定一个热源加载的时间，进行一次温度场求解；

一次求解结束后，进行材料属性改变和接触热阻改变的判断，材料属性改变过程：判断冶金化仿真模型中单元的节点是否全部达到预置层的熔点，若达到，则单元材料属性发生改变，否则不发生改变；若与气孔仿真模型单元相连接的冶金化仿真模型单元已改变材料属性，则气孔仿真模型单元也改变材料属性；接触热阻改变过程：若预置层或基材的接触表面上的原死单元中全部节点温度达到预置层或基材的熔点，原死单元改变成活单元，以同样的条件把原活单元变成死单；。

再次载热源，设定一个热源加载时间，进行温度场求解；

以上热源加载，温度场求解，材料属性改变和接触热阻改变的判断，再次加载热源和进行温度场求解，这是一个多次循环过程，通过循环语句实现以上循环功能；

将每个时刻求解出的温度场将存入结果文件中，可以根据时间来查看某时刻的温度场。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种压片预置式激光熔覆温度场求解的数值模拟方法。在熔覆材料几何模型建立时首次提出了单独建立冶金化模型和气孔模型，在冶金化仿真模型中体现熔化前后的材料属性变化的影响，在气孔仿真模型中体现了厚度变化的影响。

在以往的压片预置式激光熔覆的温度场求解中，通常把压片建立成一个几何模型，从而忽略了熔化前后的压片厚度变化，本发明提出建立冶金化几何模型和气孔几何模型的思想，通过更改有限元仿真过程的单元材料属性解决了熔化前后熔覆材料厚度的变化对温度场影响的问题，因此本发明得到的温度场更加真实准确地反映粉末预置式激光熔覆的温度变化情况，进而有助于分析激光熔覆过程的温度对组织和性能的影响，并且为讨论激光熔覆的工艺参数对温度甚至组织和性能的影响提供了理论依据。

附图说明：

图1是本发明的热源加载和求解循环过程

图2是本发明的粉末压片激光熔覆过程示意图

图3是本发明的熔覆样品中心部分的实物界面

图4是本发明的有限元仿真模型

图5是激光中心位于X＝15mm处的温度场

图6是在X＝15截面上6个节点的温度曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

一种高精度预置式激光熔覆涂层温度场仿真方法，它包括以下步骤：

(1)根据待熔覆压片和基材的厚度，建立压片和基材的几何模型

在建立压片几何模型时，分别建立熔覆材料的冶金化模型和气孔模型，并且冶金化模型在气孔模型的上面，它们的高度关系如下：

H_冶+H_气＝H

式中：H_冶为冶金化模型的高度，是通过测量熔覆层厚度得到

H为预置压片的厚度

H_气为气孔模型的高度

由于基材在融化前后没有体积变化，只需建立一个基材几何模型，具体模型如图3。

(2)根据熔覆前后的熔覆材料物性参数和基材物性参数，定义材料属性

利用MAT命令定义三种压片的材料属性，分别为材料属性1，2和3。材料属性1对应着熔化前的压片材料属性；材料属性2对应着熔化后的压片材料性；材料属性3的物性参数：密度和比热容为0，表面换热系数为0，热导率为正交类型，即TXX＝TYY＝0，TZZ＝1×10⁹。

根据材料属性2的物性参数，材料属性1的物性参数通过折算公式折算得到，折算公式如下：

$\frac{X_1}{X_2}=\frac{1-\mathrm{\φ}}{1+\mathrm{\φ}}$

式中：X₁为熔化前熔覆材料的物性参数

X₂为熔化后熔覆材料的物性参数

φ是压片的气孔率

对于基材，只定义一种材料属性，为材料属性4。基材熔化前后对应同一种物性参数，即材料属性4。

(3)选取(2)定义的材料属性对模型进行网格划分

选取(2)定义的材料属性1，利用8节点的三维热分析单元SOLID70单元类型，用VMESH命令对冶金化模型和气孔模型进行网格划分；选取(2)定义的材料属性4对基材模型进行网格划分。

(4)根据不同的接触状态，设置不同的接触热阻

间隙接触和冶金化结合的接触热阻计算公式如下：

$R_t=\frac{{2h}_f}{k_1{\mathrm{\λ}}_1+k_2{\mathrm{\λ}}_2+k_3{\mathrm{\λ}}_3}$

式中：R_t为接触热阻(m²·℃/W)

h_f为接触表面的轮廓最大高度(m)

λ₁、λ₂和λ₃分别为粉末片、基材和空气的热导率(W/m·℃)

k₁、k₂和k₃是常数，k₁和k₂在0～0.5之间，分别反映粉末片和基材的热导率，热导率越大，其值就越小；对于间隙接触k₃＝0.696，对于冶金结合k₃＝0。

具体实施时k₁、k₂和k₃的最佳取值为：

对于间隙接触：k₁＝0.289，k₂＝0.113，k₃＝0.696；

对于冶金化结合：k₁＝0.289，k₂＝0.113，k₃＝0。

利用REAl命令定义两个实常数，实常数的编号为1和2，分别对应间隙接触和冶金化结合时的接触热导率，接触热导率的大小等于接触热阻的倒数。

生成间隙接触所对应的接触对：选取编号为1的实常数和(2)中定义的材料属性1，利用ESURF命令在压片的接触面上生成CONTA174单元；选取(2)所定义的材料属性4，在基材接触面上生成TARGE170单元，CONTA174是8节点的三维面面接触单元，TARGE170是三维目标单元。

生成冶金化结合所对应的接触对：选取编号为2的实常数，按照上面生成间隙接触的接触对的方法来生成接触单元和目标单元。

利用ESEL命令选取编号为2的实常数所对应的接触对，使用EKILL命令杀死该接触对所包含的全部接触单元和目标单元。

(5)热源加载及温度场求解

使用SF命令加载热源，使用DELTIM设定热源加载的时间，用SOLVE命令进行温度场求解。

求解结束后，进行材料属性改变和接触热阻改变的判断，材料属性改变过程：利用VSEL命令选取冶金化模型，从已选取模型中用NSLV命令选取所有的节点，从NSLV选取的节点中再用NSEL命令选取温度达到或超过压片熔点的节点，用ESLN选取由NSEL选取的节点所组成的单元(单元中全部节点必须在NSEL选取的节点内)，用EMODIF命令改变ESLN选取的单元的材料属性为(2)所定义的材料属性2；以相同的单元选取方法改变气孔模型单元的材料属性为(2)定义的材料属性3，只要ESLN选取的单元中任何一个节点在NSEL选取的节点内，气孔模型单元的材料属性就发生改变。

接触热阻改变过程：用ESEL命令选取实常数编号为1的接触对，用NSLE命令选取接触对中所有节点，从NSLE选取的节点中用NSEL选取温度达到或超过压片或基材的熔点的节点，从接触对的单元中用ESLN选取接触单元和目标单元(单元中全部节点必须在NSEL选取的节点内)，用EKILL命令杀死ESLN选取的单元；以相同的单元选取方法用EALIVE命令使ESLN选取的单元变活。

使用DO循环语句实现热源加载、温度场求解、材料属性改变和接触热阻改变的循环过程。

以下是利用本发明的方法所进行的一个具体实例：

如图1-6所示。

选取的压片材料为NiCoCrAlY，其尺寸为30mm×6mm×0.4mm；基材为GH4033，其尺寸为30mm×6mm×4mm；选用CO₂激光器，激光熔覆的工艺参数：功率为1.25KW，扫描速度为400mm/min，光斑直径2mm。具体步骤如下：

(1)几何模型的建立

选取熔覆样品中心部分进行截面截取，截面如附图4，测量出熔覆层的厚度为0.36mm，则气孔模型的高度为0.04mm，冶金化模型在气孔模型的上面。采用对称建模的方法，具体的仿真模型如图4。

(2)定义材料属性

定义三种压片材料属性，分别为材料属性1、2和3

材料属性1为熔化前的压片材料属性，材料属性2为熔化后的压片材料属性，对应的具体物性参数数值如表1。

表1熔化前后的压片的物性参数

材料属性3的物性参数数值：密度、比热容和表面换热系数都为0；热导率为正交类型，即TXX＝TYY＝0，TZZ＝1×10⁹。

定义基材的材料属性，为材料属性4。

(3)选取(2)中定义的材料属性对模型进行网格划分

选取(2)中定义的材料属性1对冶金化模型和气孔模型进行网格划分；选取(2)中定义的材料属性4对基材模型进行网格划分。

(4)根据不同的接触状态，设置不同的接触热阻

利用前述公式求解两个接触热阻，进而得到接触热导率，分别是间隙接触对应的热导率0.88×10⁶W/m²·℃和冶金化结合对应的接触热导率1.3×10⁶W/m²·℃。

(5)进入热源加载和温度场求解的循环过程，过程如图1所示。

求解的温度场如图5，6个节点的温度曲线如图6(6个节点位于X＝15mm截面上)。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种高精度预置式激光熔覆涂层温度场仿真方法，它包括以下步骤：

(1)在ANSYS软件中建立预置层和基材的几何模型；

(2)根据熔覆前后熔覆材料的物性参数和基材物性参数，定义材料属性；

(3)根据定义的材料属性进行网格划分；

(4)设置接触热阻；

(5)热源加载及温度场求解；

其特征是：

(1)在建立预置层的几何模型时分别建立预置层的冶金化几何模型和气孔几何模型，它们的几何形状都是长方体，并且冶金化几何模型在气孔几何模型的上面，它们的高度关系满足以下条件：

H_冶+H_气＝H

式中：H_冶为冶金化几何模型的高度，其大小等于熔覆层的厚度；

H_气为气孔模型的高度；

H为预置层的厚度；

(2)在预置层和基材的接触表面上设置“间隙接触”和“冶金化结合接触”两个接触对，两个接触对分别对应着两个接触热导率，接触热导率等于接触热阻的倒数，利用生死单元技术使较大的接触热阻起作用，而较小的接触热阻不起作用，

间隙接触和冶金化结合接触热阻计算公式如下：

$R_t=\frac{{2h}_f}{k_1{\mathrm{\λ}}_1+k_2{\mathrm{\λ}}_2+k_3{\mathrm{\λ}}_3}$

式中：R_t为接触热阻(m²·℃/W)

h_f为接触表面的轮廓最大高度(m)

λ₁、λ₂和λ₃分别为粉末片、基材和空气的热导率(W/m·℃)

k₁、k₂和k₃是常数，k₁和k₂在0～0.5之间，分别反映粉末片和基材的热导率，热导率越大，k₁和k₂就越大；对于间隙接触k₃＝0.696，对于冶金结合k₃＝0。

2.根据权利要求1所述的高精度预置式激光熔覆涂层温度场仿真方法，其特征是所述的根据熔覆前后熔覆材料的物性参数和基材物性参数定义的材料属性为：

对于预置层，定义三种材料属性，分别为材料属性1、2和3，每种材料属性包括比热容、密度、热导率和表面换热系数；材料属性1对应着熔化前的预置层材料属性；材料属性2对应着熔化后的预置层材料性；材料属性3为物性参数，并定义密度和比热容为0，表面换热系数为0，热导率为正交类型，即只进行垂直方面的传热，没有横向的传热；

其中材料属性2为已知值，根据材料属性2的物性参数，材料属性1的物性参数数值通过以下公式折算得到：

$\frac{X_1}{X_2}=\frac{1-\mathrm{\φ}}{1+\mathrm{\φ}}$

式中：X₁为熔化前预置层材料的物性参数，

X₂为预置层熔化后的物性参数，

φ是压片的气孔率；

对于基材，只定义一种材料属性，材料属性编号为4，基材熔化前后对应同一种物性参数。

3.根据权利要求1所述的高精度预置式激光熔覆涂层温度场仿真方法，其特征是所述的热源加载及温度场求解过程为：

一次加载热源，设定一个热源加载的时间，进行一次温度场求解；

一次求解结束后，进行材料属性改变和接触热阻改变的判断，材料属性改变过程：判断冶金化仿真模型中单元的节点是否全部达到预置层的熔点，若达到，则单元材料属性发生改变，否则不发生改变；若与气孔仿真模型单元相连接的冶金化仿真模型单元已改变材料属性，则气孔仿真模型单元也改变材料属性；接触热阻改变过程：若预置层或基材的接触表面上的原死单元中全部节点温度达到预置层或基材的熔点，原死单元改变成活单元，以同样的条件把原活单元变成死单；。

再次载热源，设定一个热源加载时间，进行温度场求解；

以上热源加载，温度场求解，材料属性改变和接触热阻改变的判断，再次加载热源和进行温度场求解，这是一个多次循环过程，通过循环语句实现以上循环功能；

将每个时刻求解出的温度场将存入结果文件中，可以根据时间来查看某时刻的温度场。

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