CN109190322A - 一种基于温度场的电子束熔覆工艺参数优化方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于温度场的电子束熔覆工艺参数优化方法及系统。方法包括：获取熔覆条件和结构尺寸，所述熔覆条件包括环境温度、熔覆工艺、熔覆层材质和基体材质，所述结构尺寸包括熔覆层尺寸和基体尺寸；根据所述熔覆条件和所述结构尺寸，建立有限元分析模型；对所述限元分析模型进行网格划分，得到熔覆数学模型；对所述熔覆数学模型进行移动加载，得到熔覆温度场的分布；对所述熔覆温度场的分布进行分析，得到最优加工参数；对所述最优加工参数采用单变量试验，得到最优参数。采用本发明的方法或系统能够避免大量试验工件的浪费，减少熔覆参数优化的工作量，降低试验成本。
Description
技术领域
本发明涉及电子束熔覆领域，特别是涉及一种基于温度场的电子束熔覆工艺参数优化方法及系统。
背景技术
电子束熔覆技术依靠电子束的热源，使熔覆材料熔化从而在试样表面上产生了独特的熔覆层，以此提高了试样表面的各项性能指标。使用高能电子束进行熔覆可以准确地控制热输入，也可以便捷地对不同试样进行熔覆处理，并且不依赖于材料的表面特性。
因为电子束熔覆处理是在真空条件下进行的，且电子束在对试样加热时产生的温度非常高，作用时间也极其短暂，所以如果想依靠传统的实验方式直接测得电子束熔覆时的温度是非常困难的，同时将会产生巨大的工作量与高昂的费用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于温度场的电子束熔覆工艺参数优化方法及系统，能够减少熔覆参数优化的工作量，降低试验成本。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于温度场的电子束熔覆工艺参数优化方法，包括：
获取熔覆条件和结构尺寸，所述熔覆条件包括环境温度、熔覆工艺、熔覆层材质和基体材质，所述结构尺寸包括熔覆层尺寸和基体尺寸；
根据所述熔覆条件和所述结构尺寸，建立有限元分析模型；
对所述限元分析模型进行网格划分，得到熔覆数学模型；
对所述熔覆数学模型进行移动加载，得到熔覆温度场的分布；
对所述熔覆温度场的分布进行分析，得到最优加工参数；
对所述最优加工参数采用单变量试验，得到最优参数。
可选的，所述对所述限元分析模型进行网格划分，得到熔覆数学模型，具体包括：
对所述限元分析模型采用自由划分的形式对三维有限元模型进行网格划分，得到熔覆数学模型。
可选的，所述对所述熔覆数学模型进行移动加载，得到熔覆温度场的分布，具体包括：
根据熔覆工艺与熔覆对象选择所述熔覆数学模型中的高斯热源模型；
对所述高斯热源模型进行移动加载，得到熔覆温度场的分布。
可选的，所述对所述熔覆温度场的分布进行分析，得到最优加工参数，具体包括：
对所述熔覆温度场的分布进行分析，所述分析包括对电子束扫描电流、电子束的束斑半径，电子束扫描速度以及预热温度对电子束熔覆温度场的作用的分析结果，根据所述分析结果得到最优加工参数。
可选的，所述对所述最优加工参数采用单变量试验，得到最优参数，具体包括：
对所述最优加工参数采用单变量试验，研究电子束扫描束流、电子束的束斑半径和扫描速度对熔覆层表面形貌的影响，得到影响结果；
根据所述影响结果，得到最优参数。
一种基于温度场的电子束熔覆工艺参数优化系统，包括：
获取模块，用于获取熔覆条件和结构尺寸，所述熔覆条件包括环境温度、熔覆工艺、熔覆层材质和基体材质，所述结构尺寸包括熔覆层尺寸和基体尺寸；
建模模块，用于根据所述熔覆条件和所述结构尺寸，建立有限元分析模型；
网格化分模块，用于对所述限元分析模型进行网格划分，得到熔覆数学模型；
移动加载模块，用于对所述熔覆数学模型进行移动加载，得到熔覆温度场的分布；
分析模块，用于对所述熔覆温度场的分布进行分析，得到最优加工参数；
单变量试验模块，用于对所述最优加工参数采用单变量试验，得到最优参数。
可选的，所述网格化分模块，具体包括：
网格化分单元，用于对所述限元分析模型采用自由划分的形式对三维有限元模型进行网格划分，得到熔覆数学模型。
可选的，所述移动加载模块，具体包括：
选择单元，用于根据熔覆工艺与熔覆对象选择所述熔覆数学模型中的高斯热源模型；
移动加载单元，用于对所述高斯热源模型进行移动加载，得到熔覆温度场的分布。
可选的，所述分析模块，具体包括：
分析单元，用于对所述熔覆温度场的分布进行分析，所述分析包括对电子束扫描电流、电子束的束斑半径，电子束扫描速度以及预热温度对电子束熔覆温度场的作用的分析结果，根据所述分析结果得到最优加工参数。
可选的，所述单变量试验模块，具体包括：
单变量试验单元，用于对所述最优加工参数采用单变量试验，研究电子束扫描束流、电子束的束斑半径和扫描速度对熔覆层表面形貌的影响，得到影响结果；
最优参数确定单元，用于根据所述影响结果，确定最优参数。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供一种基于温度场的电子束熔覆工艺参数优化方法，包括：获取熔覆条件和结构尺寸，所述熔覆条件包括环境温度、熔覆工艺、熔覆层材质和基体材质，所述结构尺寸包括熔覆层尺寸和基体尺寸；根据所述熔覆条件和所述结构尺寸，建立有限元分析模型；对所述限元分析模型进行网格划分，得到熔覆数学模型；对所述熔覆数学模型进行移动加载，得到熔覆温度场的分布；对所述熔覆温度场的分布进行分析，得到最优加工参数；对所述最优加工参数采用单变量试验，得到最优参数。本发明提出的熔覆工艺参数优化方法通过利用数值模拟和数据分析相结合的技术，避免了大量试验工件的浪费，减少了熔覆参数优化的工作量，降低了试验成本，通过本方法筛选确定的参数结果准确度高，本方法具备较大的可行性，易于大规模推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例基于温度场的电子束熔覆工艺参数优化方法流程图；
图2为本发明实施例基于温度场的电子束熔覆工艺参数优化系统结构图；
图3为本发明实施例1在3s时试样温度分布图；
图4为本发明实施例1实验与模拟对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于温度场的电子束熔覆工艺参数优化方法及系统，能够减少熔覆参数优化的工作量，降低试验成本。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例基于温度场的电子束熔覆工艺参数优化方法流程图。如图1所示，一种基于温度场的电子束熔覆工艺参数优化方法，包括：
步骤101：获取熔覆条件和结构尺寸，所述熔覆条件包括环境温度、熔覆工艺、熔覆层材质和基体材质，所述结构尺寸包括熔覆层尺寸和基体尺寸；
步骤102：根据所述熔覆条件和所述结构尺寸，建立有限元分析模型；
步骤103：对所述限元分析模型进行网格划分，得到熔覆数学模型；
步骤104：对所述熔覆数学模型进行移动加载，得到熔覆温度场的分布；
步骤105：对所述熔覆温度场的分布进行分析，得到最优加工参数；
步骤106：对所述最优加工参数采用单变量试验，得到最优参数。
步骤103，具体包括：
对所述限元分析模型采用自由划分的形式对三维有限元模型进行网格划分，得到熔覆数学模型。
步骤104，具体包括：
根据熔覆工艺与熔覆对象选择所述熔覆数学模型中的高斯热源模型；
对所述高斯热源模型进行移动加载，得到熔覆温度场的分布。
步骤105，具体包括：
对所述熔覆温度场的分布进行分析，所述分析包括对电子束扫描电流、电子束的束斑半径，电子束扫描速度以及预热温度对电子束熔覆温度场的作用的分析结果，根据所述分析结果得到最优加工参数。
步骤106，具体包括：
对所述最优加工参数采用单变量试验，研究电子束扫描束流、电子束的束斑半径和扫描速度对熔覆层表面形貌的影响，得到影响结果；
根据所述影响结果，得到最优参数。
图2为本发明实施例基于温度场的电子束熔覆工艺参数优化系统结构图。如图2所示，一种基于温度场的电子束熔覆工艺参数优化系统，包括：
获取模块201，用于获取熔覆条件和结构尺寸，所述熔覆条件包括环境温度、熔覆工艺、熔覆层材质和基体材质，所述结构尺寸包括熔覆层尺寸和基体尺寸；
建模模块202，用于根据所述熔覆条件和所述结构尺寸，建立有限元分析模型；
网格化分模块203，用于对所述限元分析模型进行网格划分，得到熔覆数学模型；
移动加载模块204，用于对所述熔覆数学模型进行移动加载，得到熔覆温度场的分布；
分析模块205，用于对所述熔覆温度场的分布进行分析，得到最优加工参数；
单变量试验模块206，用于对所述最优加工参数采用单变量试验，得到最优参数。
所述网格化分模块203，具体包括：
网格化分单元，用于对所述限元分析模型采用自由划分的形式对三维有限元模型进行网格划分，得到熔覆数学模型。
所述移动加载模块204，具体包括：
选择单元，用于根据熔覆工艺与熔覆对象选择所述熔覆数学模型中的高斯热源模型；
移动加载单元，用于对所述高斯热源模型进行移动加载，得到熔覆温度场的分布。
所述分析模块205，具体包括：
分析单元，用于对所述熔覆温度场的分布进行分析，所述分析包括对电子束扫描电流、电子束的束斑半径，电子束扫描速度以及预热温度对电子束熔覆温度场的作用的分析结果，根据所述分析结果得到最优加工参数。
所述单变量试验模块206，具体包括：
单变量试验单元，用于对所述最优加工参数采用单变量试验，研究电子束扫描束流、电子束的束斑半径和扫描速度对熔覆层表面形貌的影响，得到影响结果；
最优参数确定单元，用于根据所述影响结果，确定最优参数。
本发明提出的熔覆工艺参数优化方法通过利用数值模拟和数据分析相结合的技术，避免了大量试验工件的浪费，减少了熔覆参数优化的工作量，降低了试验成本，通过本方法筛选确定的参数结果准确度高，本方法具备较大的可行性，易于大规模推广。
具体实施例1：
步骤一:选取Inconel617作为基体：规格为40mm×20mm×9mm，在高温条件下拥有较好的机械性能，尤其是在1373K高温下循环的碳化与氧化环境下具有特别好的抗腐蚀能力。硅化物具有高温抗腐蚀能力，所以选用其作为涂覆在镍基合金表面上的材料，规格为40mm×20mm×1mm。
基体与熔覆材料分析:Inconel617与硅化物的热物理性能如表1和表2
表1:Inconel617热物理性能
表2硅化物热物理性能
步骤二:根据试样的结构尺寸在软件ANSYS中建立有限元模型，为了精确地反映出预置层温度场的变化情况，宜采用细小的网格。而热影响区划分为渐变网格，单元体积逐渐减大，基体部分采用较粗的网格即可。
步骤三:进行电子束熔覆仿真分析，应当充分考虑初始条件与边界条件。设置初始温度为293K；
本实验中热源模型选取的是高斯热源模型，并将之用以实现对数值的模拟计算。其数学表达式：
q(r)＝qmexp[-k(r-r0)2]
式中：r是距扫描轨迹圆圆心的距离；
qm是电子束斑中心最大热流密度；
r0是电子束扫描半径；
k是能量集中系数。
步骤四、通过软件ANSYS进行熔覆仿真。熔覆仿真是基于专用数值模拟软件ANSYS完成，对所给模型在下表熔覆参数下进行焊接过程仿真。
表3熔覆工艺参数表
为了获得表面平坦、性能优秀的熔覆层，根据以上不同工艺下取样点上的温度仿真结果以及变化趋势，确定一组较优的电子束熔覆加工参数：加速电压＝50kV,电子束扫描束流I＝19mA,扫描速度V＝8mm/min,束斑半径R＝3mm。图3是在此加工参数下的3s时的温度场分布情况。
步骤五、根据上表的熔覆工艺，在高能束装备加工集成系统上，采用线扫描方式对表面喷硅化物的Inconel617合金试样进行单道熔覆处理，观察熔覆后上表面和横截面的形貌。
步骤六、根据实验结果与模拟结果对比分析如图4，表明本试验设计方法所得到优化熔覆工艺结果是正确和有效的。图4为本发明实施例1实验与模拟对比图。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种基于温度场的电子束熔覆工艺参数优化方法，其特征在于，包括：
获取熔覆条件和结构尺寸，所述熔覆条件包括环境温度、熔覆工艺、熔覆层材质和基体材质，所述结构尺寸包括熔覆层尺寸和基体尺寸；
根据所述熔覆条件和所述结构尺寸，建立有限元分析模型；
对所述限元分析模型进行网格划分，得到熔覆数学模型；
对所述熔覆数学模型进行移动加载，得到熔覆温度场的分布；
对所述熔覆温度场的分布进行分析，得到最优加工参数；
对所述最优加工参数采用单变量试验，得到最优参数。
2.根据权利要求1所述的基于温度场的电子束熔覆工艺参数优化方法，其特征在于，所述对所述限元分析模型进行网格划分，得到熔覆数学模型，具体包括：
对所述限元分析模型采用自由划分的形式对三维有限元模型进行网格划分，得到熔覆数学模型。
3.根据权利要求1所述的基于温度场的电子束熔覆工艺参数优化方法，其特征在于，所述对所述熔覆数学模型进行移动加载，得到熔覆温度场的分布，具体包括：
根据熔覆工艺与熔覆对象选择所述熔覆数学模型中的高斯热源模型；
对所述高斯热源模型进行移动加载，得到熔覆温度场的分布。
4.根据权利要求1所述的基于温度场的电子束熔覆工艺参数优化方法，其特征在于，所述对所述熔覆温度场的分布进行分析，得到最优加工参数，具体包括：
对所述熔覆温度场的分布进行分析，所述分析包括对电子束扫描电流、电子束的束斑半径，电子束扫描速度以及预热温度对电子束熔覆温度场的作用的分析结果，根据所述分析结果得到最优加工参数。
5.根据权利要求1所述的基于温度场的电子束熔覆工艺参数优化方法，其特征在于，所述对所述最优加工参数采用单变量试验，得到最优参数，具体包括：
对所述最优加工参数采用单变量试验，研究电子束扫描束流、电子束的束斑半径和扫描速度对熔覆层表面形貌的影响，得到影响结果；
根据所述影响结果，得到最优参数。
6.一种基于温度场的电子束熔覆工艺参数优化系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取熔覆条件和结构尺寸，所述熔覆条件包括环境温度、熔覆工艺、熔覆层材质和基体材质，所述结构尺寸包括熔覆层尺寸和基体尺寸；
建模模块，用于根据所述熔覆条件和所述结构尺寸，建立有限元分析模型；
网格化分模块，用于对所述限元分析模型进行网格划分，得到熔覆数学模型；
移动加载模块，用于对所述熔覆数学模型进行移动加载，得到熔覆温度场的分布；
分析模块，用于对所述熔覆温度场的分布进行分析，得到最优加工参数；
单变量试验模块，用于对所述最优加工参数采用单变量试验，得到最优参数。
7.根据权利要求6所述的基于温度场的电子束熔覆工艺参数优化系统，其特征在于，所述网格化分模块，具体包括：
网格化分单元，用于对所述限元分析模型采用自由划分的形式对三维有限元模型进行网格划分，得到熔覆数学模型。
8.根据权利要求6所述的基于温度场的电子束熔覆工艺参数优化系统，其特征在于，所述移动加载模块，具体包括：
选择单元，用于根据熔覆工艺与熔覆对象选择所述熔覆数学模型中的高斯热源模型；
移动加载单元，用于对所述高斯热源模型进行移动加载，得到熔覆温度场的分布。
9.根据权利要求6所述的基于温度场的电子束熔覆工艺参数优化系统，其特征在于，所述分析模块，具体包括：
分析单元，用于对所述熔覆温度场的分布进行分析，所述分析包括对电子束扫描电流、电子束的束斑半径，电子束扫描速度以及预热温度对电子束熔覆温度场的作用的分析结果，根据所述分析结果得到最优加工参数。
10.根据权利要求6所述的基于温度场的电子束熔覆工艺参数优化系统，其特征在于，所述单变量试验模块，具体包括：
单变量试验单元，用于对所述最优加工参数采用单变量试验，研究电子束扫描束流、电子束的束斑半径和扫描速度对熔覆层表面形貌的影响，得到影响结果；
最优参数确定单元，用于根据所述影响结果，确定最优参数。
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| GR01 | Patent grant | ||
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