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【摘 要】：在激光熔覆过程中， 输入热源的能量分布在时间和空间上存在较大不均匀性， 因此， 选择适当的热源模型是确保温度、 应力计算可靠性的重要前提。热

在激光熔覆过程中， 输入热源的能量分布在时间和空间上存在较大不均匀性， 因此， 选择适当的热源模型是确保温度、 应力计算可靠性的重要前提。热源模型按照其函数中位置坐标的空间维度划分包括：点热源、 面热源和体热源三类。Rosenthal 最早研究了移动热源模型， 他基于准静态的假设（ 认为除了初始和终止时段外在足够长的工件中的热流是稳定的）提出了点热源模型，但该热源模型不能很好的描述热源的能量分布规律， 对熔合区和热影响区的计算误差较大。平面热源多用于熔池的深宽比较小的热导型焊接或熔覆过程的模拟， 常见的平面热源有：高斯分布、椭圆、 双椭圆热源等。高斯平面热源模型将输入能量按照高斯函数分布在一定半径的圆形区域内， 该模型具有周向对称分布的特点。高斯分布模型虽可以较好的反映静态激光在其辐照区域内的能量分布， 但当激光以一定速度运动时，能量不再是对称分布， 高斯模型会带来一定的误差。椭圆模型是对高斯分布模型的改进， 考虑了熔池在运动过程中的伸长；而双椭圆模型则考虑了熔池前、 后缘的非对称特性， 用两个半长轴各不相同的椭圆分别表征热源模型前、 后半部的能量分布状况。李豪等在模拟矩形光斑的激光熔覆过程中， 采用了椭圆热源模型， 计算结果与实验结果基本吻合。体热源模型是将输入能量直接加载到工件的一定体积内， 主要用于热流密度高， 熔池深宽比较大的焊接或熔覆过程， 常见的体热源有：圆锥、 椭球、 双椭球、 旋转高斯体以及组合型热源模型等。综上， 热源的选择应综合考虑热源种类、 热流密度、 能量分布状况、热源的移动速度、 熔池形貌等多种因素。

? ? ? 本文采用单道次的激光熔覆实验来与模拟结果进行对比， FeCrNiMo粉层的铺粉厚度为2.5mm，保护气（ 氩气） 流量为 12L/min， 激光扫描速度为 6mm/s， 通过改变激光功率获得不同的输入能量密度， 具体的工艺参数如表 2 所示， 模拟所用的工艺参数与实验保持一致。

3 结论?

本文发表在《热喷涂技术》第12卷第四期（总第46期）2020年12月：P12-P21。

? ? ? 对于应力 - 应变计算步， 需要在上述温度场计算结果的基础上进行应力 - 应变计算， 与常见的力学和结构计算方法类似：用基于牛顿第二定律的力学平衡方程 (7) 与柯西应力张量方程 (8) 联立求解， 即可获得某一温度下的位移、 应力、 应变关系。因温度场是与时间相关的量， 因此应力 -应变也是与时间相关的暂态物理量， 控制方程如公式 (7)、 (8) 所示。

? ? ??其中，?σ?为应力张量，?Fv?为在体系上的作用力张量，?D?为刚度矩阵，?ε?为应变张量， 由以下三部分组成：

本文采用顺序耦合的热力耦合计算思路， 首先计算激光熔覆过程中某一时刻的温度场， 然后再以每一时刻的温度场为输入参数， 计算相应时刻的应力、 应变场。在激光熔覆的传热过程中，与温度相关的能量函数满足如下平衡方程。

图 4 不同激光功率下的单道截面显微照片和熔覆层表面形貌：(a) 1800W; (b) 2400W; (c) 3000W

文章来源：《矿冶工程》 网址: http://www.kygcbjb.cn/zonghexinwen/2022/0606/434.html