齿轮曲面激光熔覆应力场数值模拟
0 引 言
激光熔覆技术在材料表面改性、产品表面修复、提高零部件使用寿命等方面得到广泛的应用[1-3]。但是目前该技术还面临不少难题，如激光熔覆工艺参数选择、熔覆材料的配对和新材料的开发、熔覆层表面和内部的质量问题、熔覆设备的改进等。特别是熔覆层质量的稳定性和可靠性是该项技术迅速推广的主要障碍。目前激光熔覆研究多集中在平面基体上的熔覆，实际应用中熔覆会在各种曲面上进行，比如齿轮轮齿的修复和性能的加强。熔覆层表面平整与否不是判断熔覆层质量好坏的唯一标准，熔覆层有否产生裂纹是一个更重要的指标，裂纹问题也是激光熔覆面临的最大问题。齿轮轮齿曲面激光熔覆过程中裂纹产生的主要原因是熔覆过程中的温度与组织变化所引起的内应力。影响裂纹产生的因素有熔覆层材料物理性能、基体材料物理性能、熔覆层厚度和熔覆工艺等。笔者利用ANSYS 对齿轮曲面激光熔覆进行数值模拟，并通过实验验证了模拟结果。
1 数值模拟影响因素
1.1 建立有限元模型时熔覆层形貌的处理
熔覆层几何形貌是指单道激光熔覆层横截面内的形状及其特征尺寸，主要以熔覆层高度和熔覆层宽度来描述[4]。影响熔覆层几何形貌的因素众多，经过试验验证，主要影响因素有：激光扫描速度、送粉速率、光斑尺寸、激光功率和离焦量。
观察熔覆横截面的扫描电镜照片（见图1），表明熔覆层质量较好时的截面都呈抛物线状，采用MATLAB 对熔覆层形貌进行拟合。根据熔覆前后能量及质量守恒定理进行计算得出熔覆层高度的估算公式。
1.2 数值模拟时对激光功率的处理
激光熔覆时，通常考虑对实际功率的影响因素有粉末对激光束的遮蔽和激光入射角的影响。除此之外，由于齿轮齿廓是曲面模拟时必须对其引起的激光功率分布不均予以考虑。
熔覆过程中激光在到达基体前穿过送粉器送出的粉末流时，粉末会遮挡部分激光束，衰减其到达基体的能量。粉末遮蔽激光能量的比例通常用遮光率来表示即粉末遮挡的激光功率与激光束输出功率之比，根据粉末流速度、送粉流半径、粉末颗粒半径和激光束半径等可计算得到粉末遮蔽率[5]。
齿轮熔覆扫描工艺主要有2 种：周向扫描和轴向扫描。实验采用轴向扫描工艺，即激光束不动，以一定的角度照射到轮齿表面，而齿轮也固定只做轴向运动。当完成一个轮齿的齿面熔覆后，转动齿轮以同样的方法熔覆其他的轮齿。激光扫描时，齿廓上从基圆至齿顶圆任一点K 处的激光入射角kλ 可根据几何关系计算得出[6]。已知激光束入射角度即可得到齿轮齿面任意一点处材料对激光的吸收率[7]。
相变分析必须考虑材料的潜热，即在相变过程吸收或释放的热量，通过定义材料的特性来计入潜热。在ANSYS 数值模拟中，材料特性为比。当比在某些材料中不能使用时，可用密度、比热容和物质潜热计算得出。
2 实验结果与分析
2.1 实验结果及分析
实验设备采用SLC-20X30D 数控激光多功能加工机，配备ROFIN DC 030 激光器、侧向自动送粉器、西门子数控系统和四轴联动数控机床。试验材料采用标准渐开线直齿圆柱齿轮，材料分别为10 钢和45 钢，齿宽45 mm，压力角20°，模数为5，齿数为50。熔覆材料为Ni60 自熔性合金粉末，粒度45~105 μm。熔覆前齿面用砂纸打磨，扫描时不使用保护气体，熔覆后自然冷却。45 钢表面熔覆Ni60 的工艺参数见表1。裂纹数单位为条（定义为肉眼可见的宏观裂纹）。实验结果如所示。
齿轮材料为10 钢和45 钢时在不同送粉率条件下产生的裂纹条数见表2。粉末为Ni60。其他工艺参数：功率1 100 W，扫描速度3 mm/s。
2.2 数值模拟结果
笔者进行了4 组应力场的模拟计算：①采用45 钢为基体材料，Ni60 为熔覆材料；②采用10 钢为基体材料，Ni60 为熔覆材料；③采用10 钢为基体材料，1Cr18Ni9Ti 为熔覆材料；④采用45 钢为基体材料，Ni60 为熔覆材料，预热到400 ℃。4 组模拟计算的工艺参数均为：激光功率1 100 W，扫描速度3 mm/s，送粉速率4 g/min。图4、6、8、10 是熔覆层与基体结合处中点位置的应力随时间变化图。图5、7、9、11 是端面熔覆层横截面应力场模拟结果。
比较模拟结果发现，10 号钢与Ni60 合金粉末匹配组时熔覆层应力值最大，其次是10号钢与1Cr18Ni9Ti 粉末匹配组，45 号钢与Ni60 合金粉末匹配组相对较小。比较图4、5 与图10、11 可知预热基体后，熔覆层的应力值减小，熔覆层产生裂纹的倾向越小。不同的材料匹配下应力走向趋势是一致的，都是在熔覆层与基体相交的部位产生应力集中，随着冷却时间的推移应力降低并趋于一个定值。对比模拟结果发现不同的材料应力值大小不同，因而产生裂纹的倾向也不同。此外，基体预热后熔覆层应力减小。
从实验结果可以看出在相同的熔覆工艺参数下10 号钢相比45 号钢更易产生裂纹，即45 号钢与Ni60 比10 号钢与Ni60 材料的匹配性能更佳。模拟结果与实验结果说明材料匹配是影响裂纹产生的重要因素。选择合适的材料匹配能够减少加工过程中的温度梯度，减小熔覆层中应力集中，避免裂纹的产生。此外，基体预热也能减少裂纹的产生。数值模拟对预防熔覆层裂纹产生有一定的指导作用。
3 结 论
1）对熔覆层形貌尺寸进行了计算，提出了熔覆层高度的估算公式。
2）数值模拟时除考虑粉末遮蔽、激光入射角对实际功率的影响外，着重提出了曲面引起激光功率分布不均的处理办法。此外，还引入了处理熔覆过程中相变的处理办法。
3）对不同材料匹配的齿轮激光熔覆进行了模拟，结果表明材料的匹配对熔覆层裂纹有很大的影响。模拟基体预热前后的温度场及应力场，结果表明基体预热也是减少裂纹产生的一种有效手段。
中国硕士论文网提供大量免费硕士毕业论文,如有业务需求请咨询网站客服人员！
[参考文献] (References)
[1] Schubert E, Seefeld T, Rinn A, et al. Laser beam cladding: a flexible tool for local surface treatment and repair[J]. Journal of Thermal Spray Technology, 1999, 8(4): 590-596.
[2] Nowotny S. Cladding repair and forming by build-up welding using laser radiation [J]. Vakuum in Forschungund Paxis, 2002, 45(1): 33-37.
[3] Mazumder J, Dutta D, Kikuchi N, et al. Closed loop direct metal deposition: art to part [J]. Optics and Laser inEngineering, 2000, 34(4/6): 397-414.
[4] 洪蕾, 吴钢．激光制造技术基础[M]．北京: 人民交通出版社, 2012.Hong Lei, Wu Gang. Laser manufacture technology [M]. Beijing: China Communication Press, 2012.(in Chinese)
[5] 刘振侠．激光熔凝合激光熔覆的数学模型及数值分析[D]．西安：西北工业大学，2003.Liu Zhenxia. Modeling and numerical simulation on laser remelting and cladding [D]. Xi’an: NorthwesternPolytechnical University, 2003.(in Chinese)
[6]石娟．齿轮激光表面处理的若干关键技术研究[D]．上海：同济大学，2006.Shi Juan. Key technology research of gear laser treatment [D]. Shanghai: Tongji University, 2006.(in Chinese)
[7] 关振中．激光加工工艺手册[M]．北京：中国计量出版社, 2007.Guan Zhenzhong. Laser processing technology handbook [M]. Beijing: China Metrology Press, 2007.(in Chinese)
【齿轮曲面激光熔覆应力场数值模拟】相关文章：
甲板上浪和冲击载荷的数值模拟03-07
关于煤高效制合成气装置的数值模拟03-03
CA498发动机燃烧过程数值模拟03-07
平行曲面上曲率线的性质03-07
模具的激光修复03-28
潮湿路基湿度应力场分析03-07