激光熔覆技术作为新材料制备、金属零部件快速直接制造、失效金属零部件绿色再制造的新技术之一，已广泛应用于航空、石油、汽车、机械制造、船舶制造、模具制造等行业。激光熔覆过程中，熔池温度、应力的控制直接影响熔覆层的冶金质量、组织成分、形貌以及与基体的结合与变形。温度的变化、分布，应力场难以通过试验的手段直接测得。评价温度控制是否得当，往往采取熔覆后质量检验的方法，这样不仅耗时耗材，而且不能实现在线质量控制。因此，温度场和应力场的数值模拟是获得温度信息和应力应变信息的有效方法，是一种预测技术，将指导熔覆层成分的设计、合金元素的选择、工艺参数的优化。本文利用ANSYS有限元模拟软件，模拟计算了Nd：YAG激光预置粉末熔覆过程的温度场和应力场，并对温度场和应力场的模拟结果进行了分析。主要内容如下： 1.建立了激光预置粉末熔覆物理模型，阐述了激光熔覆过程中的热源模型、传热模型、初始条件和边界条件以及力学准则。通过APDL语言自主编程，利用三维表格施加高斯激光热流密度载荷，实现热源载荷的空间分布与时间移动。详细介绍ANSYS软件的传热处理方式、初始条件和边界条件的形式以及相关参数的设置、力学准则的处理方式等。 2.以ANSYS软件为平台，APDL语言为手段，模拟计算Nd：YAG激光预置粉末熔覆过程的温度场，间接耦合计算应力场。模拟计算过程中考虑了材料热物理性能参数和力学性能参数随温度的变化；对熔覆层采用更小的网格划分，提高了计算精度。 3.对温度场模拟结果进行分析，研究表明：激光熔覆过程中产生准稳态的温度场，即随着激光热源的移动，瞬态温度场保持不变，激光光斑处温度最高，达到2.8×103℃，并以光斑为中心向外逐层降低，等温线似近椭圆形，椭圆中心位于光斑后方。光斑处温度、温度变化率变化急剧，升温率达到7×103℃/s，冷却率达到5×103℃/s，表现出典型的急冷急热特性。 激光熔覆工艺参数对激光熔池的最大温度和瞬间最大升温及冷却速度的影响为：预热温度越高、激光功率越高，则熔池最大温度越高，成线性增加规律；激光扫描速度越快、光斑半径越大，则熔池最大温度越低，成线性减少规律。随着光斑半径的增大，光斑半径对最大温度的影响有减弱的趋势。瞬间最大升温及冷却速度受预热温度影响不大；激光扫描速度增大、激光功率增大，则瞬间最大升温及冷却速度都增大。随着激光扫描速度的增大，激光扫描速度对瞬间最大冷却速度的影响有减弱的趋势。光斑半径的增大会导致瞬间最大升温和冷却速度都减小，减小的幅度随着半径增大而逐渐不明显。 4.对应力场模拟结果进行分析，研究表明：光斑中心总应力为拉应力，熔池宽度方向为拉应力，熔池深度方向和扫描方向为压应力。分别沿三个方向所取的点总应力变化趋势相似，都为拉应力，先增大后减小；但沿熔池深度方向基体与熔覆层交界处的点在应力减到最小值时又再次增大。 应力必定产生应变。由于假设材料各向同性，故熔池宽度方向、熔池深度方向、扫描方向的热应变曲线变化相同。对于弹性应变，熔池宽度方向为正，发生拉伸形变；熔池深度方向先正后负，先拉伸后压缩；扫描方向为负，压缩形变明显。总应变是热应变和弹性应变的和，温度上升，总应变增大；反之，总应变减小。沿各个方向所取的点总应变的产生与该点受到的总应力关联密切，应力的产生是温度变化的结果。控制激光熔覆工艺参数可以控制熔覆过程中温度场的变化分布，从而控制应力的分布和应变的情况，实现激光熔覆质量的控制。