[發明專利]一種激光熔覆修復軸面磨損件工藝的優化方法

在審

• 申請號: 202010585708.3
• 申請日: 2020-06-24
• 公開（公告）號: CN111859735A
• 公開（公告）日: 2020-10-30
• 發明（設計）人: 白峭峰;都嘉鑫;劉映良;武鵬;喬志鵬;李啟航;趙春江
• 申請（專利權）人: 太原科技大學;朔州金華實業有限公司
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06T17/20;G06F119/14
• 代理公司: 太原萬惟新致知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 14121
• 代理人: 黃海燕

1.一種激光熔覆修復軸面磨損件工藝的優化方法，其特征在于，具體包括以下步驟：

（1）確定軸面磨損零件和激光熔覆粉末隨溫度變化的熱物性參數，其中包括熱分析物理參數和應力分析參數；

（2）確定軸面磨損零件尺寸參數，利用三維建模軟件創建三維模型，導入ansys軟件；

（3）定義熱分析單元，選取solid70單元為熱分析單元，solid185單元為應力分析單元，進行網格劃分；

（4）定義非線性求解選項；

（5）選取熱源模型，選擇熱源計算公式，選取熱源模型為體生熱率模型，生熱率公式為，式中λ為激光能量的利用率，P 為激光輸出功率，A 為熔覆層的橫截面面積，v 為掃描速度，t為每個載荷步的時間；

（6）定義激光熔覆工藝參數，包括激光功率，掃描速度，掃描時間；

（7）定義邊界條件，計算基底初始溫度，施加對流換邊界條件，進行一次穩態分析；

（8）利用ansys軟件的生死單元功能來模擬熔覆過程；

（9）進行激光熔覆過程分析，計算在不同工藝參數下的激光熔覆溫度場的分布情況；

（10）進行激光熔覆應力場分析，對激光熔覆溫度場的計算結果進行二次計算，得到激光熔覆應力場的分布情況；

（11）建立工藝參數預測模型，以殘余應力為評價指標，得到最優的工藝參數。

2.根據權利要求1所述的一種激光熔覆修復軸面磨損件工藝的優化方法，其特征在于，上述步驟(1)中的熱物性參數包括：密度、熱傳導系數、比熱容、空氣和工件的換熱系數、彈性模量、泊松比、屈服強度、切變模量、線膨脹系數。

3.根據權利要求1所述的一種激光熔覆修復軸面磨損件工藝的優化方法，其特征在于，上述步驟（1）中熱物性參數要考慮空氣的總換熱系數,并且所有的參數要根據溫度的變化來定義。

4.根據權利要求1所述的一種激光熔覆修復軸面磨損件工藝的優化方法，其特征在于，上述步驟(3)中，網格劃分使用映射方法，采用非均勻的網格劃分，在熔覆層及熱影響區部位進行了網格細化，在遠離熔覆區域的單元尺寸相對大一些。

5.根據權利要求1所述的一種激光熔覆修復軸面磨損件工藝的優化方法，其特征在于，上述步驟（4）中，定義非線性求解選項時，設置為瞬態分析，采用完全瞬態積分法，設置為完全牛頓-拉普森方法，采用連續性載荷，規定每個子步中的最大迭代次數，設置輸出每一步計算結果。

6.根據權利要求1所述的一種激光熔覆修復軸面磨損件工藝的優化方法，其特征在于，在上述步驟（8）中，利用ansys軟件的生死單元功能來模擬熔覆過程時，在圓柱坐標系下，利用生死單元方法對熔覆層單元進行“殺死”和“激活”操作，在熔覆開始前先將熔覆層單元“殺死”，開始熔覆后將單元逐步“激活”。

7.根據權利要求1所述的一種激光熔覆修復軸面磨損件工藝的優化方法，其特征在于，在所述步驟（9）中，激光熔覆采用APDL編程的方式實現軸面表面的熔覆修復，在圓柱坐標系下將熔覆層單元逐步激活，同時在激活單元上施加體生熱率載荷，求解得到激光熔覆的溫度場分布結果。

8.根據權利要求1所述的一種激光熔覆修復軸面磨損件工藝的優化方法，其特征在于，在所述步驟(10)中，進行應力場分析時，采用順序間接熱-結構耦合的方式，進行單元轉換，將熱分析單元solid70轉換為應力分析單元solid185，網格模型采用熱分析模型面對模型施加外部約束，將溫度場的計算結果導入應力場分析中作為載荷施加到應力場分析模型上。

9.根據權利要求1所述的一種激光熔覆修復軸面磨損件工藝的優化方法，其特征在于，在所述步驟(11)中，建立工藝參數預測模型采用實驗設計技術、響應面法和方差分析方法，對工藝參數與輸出響應的關系及工藝參數之間的相互作用進行分析,實現對工藝參數的優化。

10.根據權利要求1所述的一種激光熔覆修復軸面磨損件工藝的優化方法，其特征在于，在上述步驟（7）中，定義邊界條件，計算基底初始溫度，施加對流換邊界條件，實現對軸面零件外表面的熔覆過程，是一個傳熱—相變蒸發—冷卻變形的過程，初始條件如下：，T₀是基板和粉末的初始溫度，T₀=25°C；激光照射工件時，產生的熱量只有一小部分被基體和粉末吸收，其余的熱量被對流和輻射耗散，熔覆過程的邊界條件描述如下：

，其中，k為導熱率，h₁為頂面對流系數，T為激光輻射溫度的最大值，T₀為環境溫度，T0=25°C，s為Stefan-Boltzmann常數，e為表面反射率；基底底面的邊界條件描述如下：，式中，h₂是基板底面的等效對流系數；其他表面邊界條件如所示：，

式中h₃為自然對流系數。