0 引 言 激光熔覆技术在材料表面改性、产品表面

　　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。 （科教范文网http://fw.NSEAC.com编辑发布）
　　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，通过定义材料的焓特性来计入潜热。在ANSYS 数值模拟中，焓材料特性为比焓。当比焓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。 （科教范文网http://fw.ΝsΕΑc.com编辑）
　　
　　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。