激光熔覆温度场和应力场的数值模拟研究

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激光熔覆技术为1970年开始兴起的一种表面改造手段。激光熔覆技术是一种受激光热源的影响使所要熔覆的粉末材料同基体表层快速加热且熔化变成稀释率相当低、同基体材料表现出良好冶金结合,进而明显提高基体表面性能的强化方法。但是熔覆层与基体材料之间的热物性参数存在一定差异性,因此在熔覆过后表面会出现相应的缺陷,比如气孔、变形、裂纹与表面粗糙度较大等。本文针对改变扫描路径、激光功率及扫描速度等工艺参数,对激光熔覆温度场及应力应变场进行数值模拟,然后分析探究工艺参数对激光熔覆温度场及应力应变场的影响,从而为激光熔覆工艺提供一定参考。  以304不锈钢为基板材料、以钴铬合金为熔覆材料,综合考虑材料的热物性能、传导、对流及相变潜热等因素的影响,利用sysweld软件模拟激光熔覆过程的数值模型。通过软件加载移动3D高斯热源,采用生死单元技术实现材料动态熔覆来完成激光熔覆的数值模拟。  对三种扫描路径激光熔覆的温度场及应力应变场做出研究,对比分析了激光熔覆过程中熔池特征、温度场及应力应变场情况,分析了不同扫描路径与温度梯度、最高温度之间的关系;确定von mises等效应力的分布情况,得出激光熔覆中长边螺旋扫描路径能够使得激光熔覆的工艺性得到改善;研究分析了扫描路径在X、Y、Z方向的位移,通过比较分析,得出激光熔覆变形与扫描路径的关系。  对四种不同激光功率激光熔覆的温度场及应力应变场做出研究,对比分析其熔池形状、温度场及应力应变场情况,分析了不同激光功率与温度梯度、最高温度之间的关系;确定von mises等效应力分布情况,及von mises等效应力与激光功率之间的关系;确定不同激光功率激光熔覆的位移情况,研究分析了不同功率在X、Y、Z方向的位移,通过比较分析,得出激光熔覆变形与激光功率的关系。  对三种不同扫描速度激光熔覆的温度场及应力应变场做出研究,对比分析其熔池形状、温度场及应力应变场情况,分析了不同扫描速度与温度梯度、最高温度的关系;确定von mises等效应力分布情况,及von mises等效应力与扫描速度之间的关系;确定不同扫描速度激光熔覆的位移情况,研究分析了不同扫描速度在X、Y、Z方向的位移,通过比较分析,得出激光熔覆变形与激光功率的关系。
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