包层距离和层间冷却时间对多层激光熔覆过程中残余应力的影响

《Optics & Laser Technology》：Influence of cladding distance and interlayer cooling time on residual stress in multi-layer laser cladding process

激光熔覆过程中堆覆距离与层间冷却时间对残余应力的影响研究。采用热力学耦合有限元方法分析单层多道和多层多道激光熔覆工艺中温度循环、热应力演变及残余应力分布规律。结果表明：堆覆距离由30mm增至90mm时，界面残余拉应力增加6.4%，且热累积效应显著；层间冷却时间延长至15s时，基体表面残余应力降低24.2MPa，但减排速率随冷却时间增加而减缓。实验验证了层间冷却策略有效降低热影响区残余应力的机理。

　　激光熔覆（Laser Cladding, LC）作为一种先进的表面改性技术，已被广泛应用于大型构件的制造中。其核心原理是通过激光热源将特定的涂层材料逐层熔融并沉积在基材表面，以实现表面性能的优化。然而，在LC过程中，热应力和残余应力的积累是影响产品质量的重要因素，尤其在多层多道熔覆结构中，残余应力的分布与变化对最终产品的性能和寿命具有深远影响。因此，如何有效控制和减少这些应力，成为LC工艺优化的关键课题。

本研究采用热-机械耦合的有限元（FE）方法，对激光熔覆过程中的热历史、热应力发展及残余应力分布进行了系统分析。通过调整熔覆路径间距和层间冷却时间，研究人员评估了这些参数对单层多道和多层多道熔覆结构中热应力和残余应力的影响。研究结果表明，随着熔覆路径间距从30毫米增加到90毫米，熔覆层内的热循环过程被延长，热积累效应增强，导致熔覆层与基材界面处的残余拉应力增加6.4%。这说明，较大的熔覆路径间距虽然有助于提高涂层覆盖范围，但也可能带来热应力的集中，从而增加裂纹形成与扩展的风险。

在层间冷却时间方面，研究发现，当冷却时间从0秒增加到15秒时，基材表面的残余应力显著降低，减少了24.2兆帕。然而，随着冷却时间的进一步增加，应力降低的速度逐渐减缓。这表明，在一定范围内，增加层间冷却时间有助于缓解残余应力，但超过某个临界值后，冷却时间对应力的调控作用将不再显著。此外，通过实验验证，研究还发现，引入层间冷却时间能够有效降低熔覆件的残余应力，尤其是在热影响区，这种效应尤为明显。因此，合理控制层间冷却时间对于减少残余应力具有重要意义。

在LC过程中，热应力的产生与热循环密切相关。由于激光加热和冷却过程的快速性，熔覆层与基材之间会形成显著的温度梯度。这种温度差异不仅影响熔覆层的微观结构，还导致热应力的产生和积累。特别是在多层多道熔覆过程中，由于每一层熔覆后都需要冷却，多次热循环会进一步加剧热应力的发展。热应力的累积可能破坏熔覆层与基材之间的冶金结合，降低涂层的结合强度，甚至引发裂纹。因此，对热应力的动态分析和预测对于优化LC工艺至关重要。

为了更深入地理解LC过程中的热应力和残余应力变化，本研究构建了热-机械耦合的有限元模型。该模型能够准确描述熔覆过程中热源的运动轨迹，从而模拟不同参数条件下的温度变化和应力分布。通过这一模型，研究人员不仅能够分析单层多道熔覆过程中熔覆路径间距对热应力演变的影响，还能进一步探讨多层多道熔覆中层间冷却时间对残余应力分布的作用。模型的建立为LC工艺的模拟和优化提供了可靠的工具，有助于揭示热应力和残余应力的形成机制。

在单层多道熔覆过程中，熔覆路径间距的变化对热应力的发展具有显著影响。当熔覆路径间距增大时，激光在熔覆层之间的停留时间增加，导致热积累效应增强。这不仅延长了热循环过程，还使得熔覆层的温度场更加复杂，从而影响热应力的分布。研究发现，随着熔覆路径间距的增加，整个熔覆件的温度逐渐上升，这种温度变化进一步加剧了残余热应力的积累。因此，在单层多道熔覆工艺中，熔覆路径间距的选择需要在覆盖范围和热应力控制之间取得平衡。

在多层多道熔覆过程中，层间冷却时间的调整对残余应力的分布具有重要作用。通过设计四种不同的层间冷却时间策略，研究人员评估了冷却时间对熔覆件整体应力状态的影响。结果表明，适当延长层间冷却时间可以有效降低基材表面的残余应力，尤其是在熔覆层与基材的交界区域。然而，随着冷却时间的增加，应力降低的速率逐渐减缓，这表明冷却时间对残余应力的调控存在一定的限度。因此，在实际应用中，层间冷却时间的设定需要根据具体的工艺需求和材料特性进行优化，以达到最佳的应力控制效果。

为了验证FE模型的准确性，本研究还进行了物理实验。通过对比实验数据和模拟结果，研究人员确认了FE模型在预测残余应力分布方面的有效性。实验结果进一步支持了FE分析中得出的结论，即熔覆路径间距和层间冷却时间对残余应力的影响具有显著性。这一研究不仅揭示了LC过程中热应力和残余应力的形成机制，还为实际工程中如何优化熔覆参数提供了理论依据和实践指导。

此外，本研究还强调了LC过程中各种参数之间的相互作用。例如，扫描速度、激光功率和粉末输送速率等参数都会对熔覆层的温度场和热应力产生影响。扫描速度的降低会导致熔覆层厚度的增加，同时也会改变熔池的温度分布，进而影响残余应力的形成。激光功率的增加则会提升热输入，导致更大的温度梯度和热应变，从而增加残余应力的水平。这些参数的变化相互影响，使得LC工艺的优化变得更加复杂。

因此，为了实现LC工艺的高质量和稳定性，需要综合考虑多个参数的协同作用。通过建立准确的FE模型，可以对这些参数的影响进行系统分析，并找到最优的工艺组合。这不仅有助于提高熔覆层的结合强度和表面质量，还能有效减少裂纹的产生，提高熔覆件的使用寿命和可靠性。同时，FE模型的应用也为LC工艺的智能化发展提供了支持，使得参数调整和工艺优化更加高效和精确。

在实际应用中，熔覆路径间距和层间冷却时间的合理选择对于减少残余应力具有重要意义。较大的熔覆路径间距虽然可以提高涂层覆盖范围，但可能导致热积累效应增强，从而增加残余应力。而较长的层间冷却时间虽然有助于降低残余应力，但可能会影响熔覆效率和生产周期。因此，如何在保证熔覆质量的前提下，合理控制熔覆路径间距和层间冷却时间，成为LC工艺优化的重要方向。

本研究的结果表明，熔覆路径间距和层间冷却时间对LC过程中的热应力和残余应力具有显著影响。通过调整这些参数，可以在一定程度上缓解残余应力的积累，从而提高熔覆件的整体性能。然而，这些参数的调整并非简单线性关系，而是受到多种因素的制约，如材料特性、激光功率、扫描速度等。因此，在实际应用中，需要结合具体的工艺需求和材料特性，进行多参数协同优化。

此外，本研究还指出，FE模型的应用能够为LC工艺提供更为全面和精确的分析手段。通过模拟不同参数条件下的热应力和残余应力变化，可以预测熔覆件在不同工艺条件下的性能表现，从而指导实际生产中的参数选择。这种基于FE模拟的工艺优化方法，不仅提高了LC工艺的可控性，还为实现智能化制造提供了技术支持。

总的来说，激光熔覆作为一种重要的表面改性技术，其工艺优化需要综合考虑热应力和残余应力的影响。通过合理的参数调整和FE模拟，可以有效控制这些应力，提高熔覆件的质量和性能。本研究通过分析熔覆路径间距和层间冷却时间对热应力和残余应力的影响，为LC工艺的优化提供了新的思路和方法。未来的研究可以进一步探索其他关键参数对残余应力的影响，以及不同材料体系下的应力分布规律，以推动LC技术的进一步发展和应用。