摘要:建立了简化二维非稳态温度场数值模型,模拟了一个平板试验件激光熔敷过程，采用ANSYS软件对温度场的分布进行了求解,其计算结果与已有文献结果吻合较好,表明可以采用此计算方法提供的初始温度值和非接触测量温度变化量来控制激光熔敷工艺参数.
关键词:激光熔敷;熔池;温度场;数值模拟;
FiniteElementAnalysisofTemperatureFieldinLaserClading
ZHAOYongHUANGAn-guoLIZhi-yuan
(HuazhongUniversityofScienceandTechnologyHuBeiWuhan　430074)

Abstract:A2-Dquasistationarytemperaturefieldmodelinlasercladdingisdeveloped.ThelasercladdingtemperaturefieldarecalculatedandsimulatedwithANSYSsoftware.Itisshownthatthesimulationresultsareapproximatelyconsistentwiththeexperimentone.Accordingtheresultthelasercladdingprocesscanbecontrolledstrictlybythetemperaturefieldsimulation.
Keywords:lasercladding;moltenpool;temperaturefield;numericalsimulation;
1前言
　　由于激光熔覆采用的激光功率较高,加热和冷却速率都极快;同时熔池的尺寸较小、温度极高,用实验的方法测量熔池中液体的温度分布很难。目前,对激光作用下材料温度场主要采用模拟计算的方法,本文利用ANSYS软件对激光熔敷过程的温度场进行了模拟计算。
2激光熔敷过程温度场数值分析
2.1激光熔覆过程的描述及假设
　　激光熔覆时的光斑直径一般取5～15mm，因此可将熔覆表面视为半无限大平面。为了研究的方便，截取一定大小的试样作为研究有限元的物理模型。如图1所示建立坐标系。为了确定有限元模型，对激光熔覆过程作如下描述：
　　高功率的激光束以恒定功率P照射到熔覆层表面，并以恒定速度V沿X方向移动。同时，由专用送粉器将粉末直接送入熔池。在此过程中，被照射的各部位温度上升，依据不同热流密度（选取适当的激光功率、光斑尺寸和扫描速度），实现熔覆过程。图1激光熔覆物理模型
　　Fig1PhysicalModelofLaserCladding
　　影响激光熔覆过程的因素很多，过程比较复杂，要建立完全正确反映实际情况的模型尚有困难，为了比较准确的表达其过程，必须进行合理简化，因此作如下的假设：
（1）基体作为平面，激光束沿X方向匀速运动，激光束与基体表面垂直；
（2）试样的物理力学性能随温度变化而变化，且与温度呈分段线性关系；
（3）系统处于准稳态，扫描过程持续一段时间后，空间温度场相对稳定；
（4）温度场只受热输入方式和热物性参数的影响，只考虑与空气的对流换热，忽略辐射换热损失，忽略动热源引起的对流及相变潜热等因素。
本文中使用ANSYS有限元分析软件对激光熔覆过程温度场进行模拟，分析时作如下简化假设：
（1）材料为各向同性；
（2）忽略熔池流体的流动作用；
（3）忽略材料的汽化作用。
鉴于送粉法熔覆道截面常呈半月形覆于基体上这一事实，将单道熔覆层假定为半圆柱形，如右图2所示。图2熔覆模型示意图
Fig1SketchmapforLaserCladdingModel
2.2材料热物性参数
　　计算选用的基体材料为10号普通碳素钢。其密度取为7850kg/m?，热传导系数K和比热C随温度T的变化而变化，取值如表1所示[1]。
　　熔覆层材料选用铁基合金粉末Fe55。其密度为7825kg/m?，熔点为1400oC，热传导系数K和比热C随温度T的变化而变化，取值如表2所示。
表110号普通碳素钢热物性参数