第32卷第8期 2011年8月
焊接学报
TRANSACTIONS OFTHE CHINA WELDINGINSTITUTION
Vol.32No.8
2011
August
铸铁表面激光熔凝行为及温度场数值模拟
伊鹏，刘衍聪，石永军，姜浩（中国石油大学（华东）机电工程学院，东营257061）
摘要：为明确铸铁表面激光熔凝过程的热响应规律，考虑随温度变化的材料热物性参数和相变潜热影响，建立铸铁表面激光动态熔凝的三维数值模型并进行了验证，预测值与试验值吻合良好，采用该模型分析了热响应温度场规律及不同工艺参数的映射关系，结果表明，铸铁表面激光熔凝较钢材可获得更大的熔透深度，熔池内、外形成较大温度梯度且分别以深、宽方向分量为主，降低扫描速度和减小光班尺寸可以获得更大的温度梯度：熔池尺寸随扫描速度和光斑半径的增大面减小，提高激光扫描速度并减小光斑尺寸可以增大凝固相变速度
关键调：激光熔凝；铸铁；数值模拟；瞬态温度场；熔池
9文献标识码：A文章编号：0253-360X(2011)08-0081-04
中图分类号：TGI74：TN249
0序言
在石油、石化和航天造船等领域，机械装备种类繁多，部分装备如箱体等的工况条件恶劣，造成大量设备过早发生失效破坏，由于激光具有良好的聚焦特性，能量高度集中，加工时间短、热影响区小，可得到更细小的重熔组织，保证材料力学性能的同时减小热变形
激光热修复涉及复杂的物理、化学冶金变化，其
中表面熔凝（ISM）是重要过程，对该过程的热响应研究是进一步明确基体重熔区（RMZ）和热影响区（HAZ）组织变化的基础：目前在材料微观形态及力学性能方面的试验研究较为充分[1-3]，田宗军、席明哲等人（4,5]对45钢激光重熔温度场进行了研究：沈以赴、陈泽民等人[6,7]分别对45钢和0235钢激光熔覆温度场进行了研究：石永军等人(8,9)研究了激光热成形钢板温度变形场相似性及温度梯度机制以上研究通过数值模拟建立可靠模型，对材料表面激光热作用的温度场规律进行描述并取得了一定成果，而铸铁作为机械装备的常用材料研究较缺乏0,，因此为进一步明确铸铁表面的激光熔凝温度场及熔池行为规律，文中采用有限元法建立灰铸 HT200表面激光熔凝过程模型，预测温度场分布，为
收稿日期：2010-08-30
基金项目：山东省自然科学基全资助项目（Y2007F76）：新疆克拉马
依市科技基金资助项目（SK2008-52）；中国石油大学（华东）创新基金资助项目（BZ1008）
万方数据
伊鹏
进一步研究高性能的铸铁表面改性层提供理论依据 1激光熔凝物理模型
激光熔凝过程物理模型如图1所示，为提高计算效率对模型进行一定的简化，假设环境状态稳定忽略材料的熔融流动作用，认为材料各向同性，热物性参数仅与温度有关.
激光器
横向轨蓬口→
熔凝轨迹
B
..A
cfima
整直轨迹基体
光爽
X-2鞭面耐火砖
图1激光熔凝模型 Fig.1Schematic of LSM
热传导是主要的热传递方式，与环境的对流和
辐射是主要热损失方式，激光能量以高斯分布热流密度的形式加载，表达式为
g=2PAec-号)
(1)
TR
式中：P为激光输出功率；R为能量密度减小到光斑中心能量密度的1/e时的光束半径r为考察点至光束中心的距离；A为材料表面激光能量吸收率