潜热对激光涂敷过程中温度场的影响VIP免费

第38卷第5期2004年5月西安交通大学学报JOURNALOFXI′ANJIAOTONGUNIVERSITYVol.38№5May2004潜热对激光涂敷过程中温度场的影响赵桂平1,斗2,金在道2(1.西安交通大学建筑工程与力学学院,710049,西安;2.仁荷大学机械工程系,4022751,仁川,韩国)摘要:应用自编子程序与通用软件ABAQUSTM联机模拟计算了考虑潜热影响的激光涂敷过程温度场的变化.为定量地考察潜热的影响,使用了考虑潜热及不考虑潜热两种分析模型.计算结果表明,在激光涂敷过程的温度场分析中,潜热的影响不是总可以忽略的,其误差取决于材料在物相转变时交界面温差的范围及材料熔解体积的大小.考虑潜热的有限元模型分析结果和忽略潜热的计算结果比较,前者显示出较低的最高温度、较小的熔池范围和较窄的热影响域.另外,在移动热源作用下潜热的影响比固定热源更为突出.与实验结果比较,证明考虑潜热的计算模型会得出更精确的结果.关键词:潜热;激光涂敷过程;有限元法;计算机模拟;温度场中图分类号:TK123文献标识码:A文章编号:0253-987X(2004)05-0500-04EffectsofLatentHeatonTemperatureFieldinLaserCladdingProcessZhaoGuiping1,ChoChongdu2,KimJaedo2(1.SchoolofArchitecturalEngineeringandMechanics,Xi′anJiaotongUniversity,Xi′an710049,China;2.DepartmentofMechanicalEngineering,InhaUniversity,Inchon4022751,R.Korea)Abstract:Theeffectsoflatentheatontemperaturefieldwereinvestigatedviaself2developedcodejoiningwithABAQUSTMforlasercladdingprocedure.Andtwosimulationmodelsfortheeffectsoflatentheatonthetem2peraturefieldswereproposedcomparatively,wherelatentheatwastakenintoaccountinoneandothernot.Itisfoundthattheeffectsofthelatentheatarenotnegligibleinthelasercladdingprocessandtheirerrorsdependonthetemperaturerangeduringphasetransformationsandthesizeofmeltedmaterialregion.Theresultsoffiniteelementanalysisincludingthelatentheatshowlowermaximumtemperature,smallersizeofmeltingpool,andnarrowerheataffectedzonecomparedwiththeanalysisneglectingthelatentheat.Inparticular,theinfluencesofthelatentheataremoreviolentundermovinglaserbeamactionthanunderstationarylaserbeam.Itiscon2cludedthatmoreaccurateresultscanbeobtainedbyconsideringlatentheatinprocessanalysis.Keywords:latentheat;lasercladdingprocess;finiteelementmethod;computersimulation;temperaturefield激光涂敷是一种将有特殊性能的添加材料(粉末或线状)由激光加热熔敷在基材料表面的过程.由于这种过程能产生具有很好冶金边界的涂层,且不损害基材料的机械性能,所以被认为是一种非常有效的增强基体抗腐蚀性、耐磨损性等的表面处理技术.激光涂敷过程中物相从固体到液体(受热熔化)再到固体(冷却凝固)的变化同时发生在一个很小的材料体积内,物相转变时伴随着热能———潜热的吸收或释放.大多数研究者在分析以激光为热源的材料加工过程的温度场和热应力场时,选择忽略潜热的分析模型[1～7\〗.为了研究这种简化假设对分析结果的影响,本文应用自编的子程序与通用软件收稿日期:2003-09-02.作者简介:赵桂平(1958～),女,教授.基金项目:教育部归国留学人员科研启动基金资助项目.©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.ABAQUSTM联机,模拟了考虑潜热影响的激光涂敷过程温度场的变化.为定量地考察潜热的影响,文中使用了考虑潜热及不考虑潜热两种计算分析模型,并且比较了它们的结果.1激光涂敷模型图1描述了本文的研究模型.在这个模型中,激光束聚焦后投射到基金属的表面,并以定常速度移动,而涂敷材料被送进激光熔化的熔池中,最后冷却形成涂层.涂层的厚度是激光束前进速度及涂敷材料输送速度的函数,涂层的宽度取决于激光束聚焦的位置.图1计算分析模型在本文的研究中,取基体金属的纵剖面(图1虚线所示)为计算模型,涂层为自由平滑表面,涂层表面与基金属相接的部分被初始设置为1/4圆,在模拟计算中根据熔池的变化进行调整.激光束作为热源垂直聚射在基金属的表面.参考坐标设置为x的正方向与激光束...