铸件材料装备表面激光二次扫描修复工艺影响分析

王延文 高 凯,2

（1.中石化石油工程技术服务有限公司科技信息部,北京 100020；2.中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院,山东 东营 257017）

激光修复是一个急速加热与冷却的过程，极高的温度梯度与冷却速率导致了极大的热应力。通过缓冷调整激光修复过程中的温度循环过程，适当降低冷却速率，对于降低残余应力、抑制裂纹的产生有良好的效果。现有的缓冷措施主要集中在炉内缓冷和后续热处理方面，且需要多套设备的辅助操作，较为费时费力。考虑到现有缓冷措施的不足和热处理工艺的复杂性，以及激光束操作灵活可控的特点，本文提出一种激光二次扫描的工艺措施。

1 激光二次扫描修复工艺流程

在实验过程中，光斑、送粉方式均不变，对裂纹产生直接影响的工艺参数为激光功率和扫描速度[1]。有研究表明，扫描速度对石墨形态、组织分布、组织特征的影响作用很大，而激光功率的作用相对较小。扫描速度相比激光功率，对修复层裂纹具有更大、更直接的影响。因此在激光二次扫描过程的工艺参数设计时，保持恒定的低激光功率，只对扫描速度进行改变，并重点分析扫描速度的影响。本文设定激光二次扫描过程中功率恒定为500 w，扫描速度分别为100 mm/min、150 mm/min、200 mm/min、300 mm/min，选取的工艺参数如表1所示。其中，Set1～Set4实验为在修复后施加激光二次扫描，Set5为对比实验，只包括修复过程，无激光二次扫描过程。在对激光修复工艺参数的研究中，可得激光功率3 500 w、扫描速度300 mm/min为较为理想的工艺参数组合。

表1 激光二次扫描工艺参数

如图1(a)所示，实验前将合金粉末预置在试样表面。实验主要包括激光修复、激光回程和激光扫描三个过程，如图1(b)～图1(d)所示。图1(b)为激光修复过程，修复功率为3 500 w，扫描速度为300 mm/min，修复过程所需时间共10 s。在激光修复完成之后，激光关闭（p=0），同时激光头以较快的速度（1 500 mm/min）返回修复初始位置，同时将激光功率降低至500 w，所需时间为2 s，如图1(c)所示。激光头回到修复初始位置之后，激光打开，以不同的扫描速度对修复层进行二次扫描。二次扫描过程如图1(d)所示，激光功率设定为500 w，扫描速度分别为100 mm/min、150 mm/min、200 mm/min、300 mm/min，所需时间分别为30 s、20 s、15 s和10 s。

图1 激光二次扫描过程描述

2 激光二次扫描的热力特征分析

本文采用数值分析手段研究激光二次扫描过程中修复层的热力变化情况。通过改进激光修复数值模型，添加激光二次扫描环节，分析有无激光二次扫描环节、不同速度下的激光二次扫描环节对修复层温度和应力状态的影响。

2.1 温度响应分析

以Set3为例，对激光二次扫描过程中的热力响应过程进行分析[2]。图2为Set3中修复层中心线中点M的温度循环曲线。T1为激光修复阶段，共10 s。在修复过程中，当激光靠近M点时，温度急速上升至3 200 ℃，随着激光远离M点，其温度迅速下降，在修复结束时刻的温度约为300 ℃。之后为T2激光回程阶段，激光头关闭，并高速返回至修复起始端，所需时间为2 s。在激光回程过程中，M点的温度持续下降，但下降幅度较小，在T2末端，温度降至245 ℃。

图2 Set3与Set5中M点温度循环过程

T3为激光二次扫描阶段，扫描过程中的功率为500 w，速度为200 mm/min，该过程共持续15 s。激光在二次扫描过程中由于速度较慢，所以相比修复阶段，M点的温度上升和下降速率较为平缓。由图2中T3阶段的温度循环情况可知，在18.4 s～19.7 s过程中，M点温度由221 ℃升高至603 ℃，温度上升较为平缓。在19.7 s～21.5 s过程中，M点温度由603 ℃降至305 ℃，温度下降较为缓慢。之后M点温度缓慢下降，在二次扫描结束时刻，温度为209 ℃。由T3阶段的温度变化过程可知，由于扫描速度较慢，二次扫描过程中的温度上升和下降均较为平缓，且随后的冷却过程时间较长，这为修复层残余应力的释放提供了条件。Set5只有激光修复过程，无二次扫描环节，其激光修复过程与Set3是一致的，在激光修复完成之后试样温度一直冷却，如图2所示。

图3为Set3中激光修复（T1）、激光回程（T2）、激光扫描（T3）三个阶段中间时刻的温度分布情况。图3(a)为激光修复中间时刻，热作用区域呈带状分布。图3(b)为激光回程中间时刻，试样不受激光作用，处于降温过程，修复层末端的温度最高，约为1 092 ℃，起始端的温度最低。图3(c)为激光二次扫描中间时刻（t=19.5 s），其温度分布与修复过程类似。图3(d)为此时刻（t=19.5 s）Set5的温度分布情况，可知无二次扫描作用时，试样的温度已下降到140 ℃～230 ℃，其中最高温位于修复层末端，为231 ℃。

图3 Set3和Set5中T1、T2、T3阶段中间时刻的温度分布

2.2 应力响应分析

2.2.1 瞬时热应力分析

图4为Set3与Set5中M点的X方向瞬时热应力变化情况。T1阶段为激光修复阶段：当光斑远离M点时，M点附近的单元未被激活，不参与计算，因此应力为零；随着光斑靠近，位于M点前端的材料受热膨胀，挤压M点，因此M点受到X正向作用力；当光斑作用于M点区域时，M点受热膨胀，受到周围材料的约束，因此受X负方向作用力；之后M点区域熔化，应力迅速减小；当光斑离开M点区域时，该区域冷却收缩，受到X正方向热应力作用，且应力迅速升高[3]。

图4 Set3与Set5中M点X方向瞬时热应力

Set3与Set5在激光修复阶段和冷却阶段的变化是一致的，其中修复阶段为T1（0～10 s），冷却阶段包括T2阶段（10～12 s）和T3部分阶段（12～14 s)，在14 s时两者的热应力均为215 MPa。在14 s之后Set5中的热应力以非常缓慢的速度上升。由于受到激光二次扫描的影响，Set3中M点前端材料受到激光二次热作用而膨胀，对M点形成挤压，M点区域开始承受压应力，从而使M点区域的原有拉应力作用逐渐减弱。当二次扫描光斑作用于M点区域时，即在T3-1阶段，压应力作用与原有拉应力达到平衡，M点的应力状态为零。随着二次扫描激光离开该点，该点区域逐渐受到X正方向应力作用，并在冷却过程中逐渐升高，在26 s左右达到稳定状态，维持在176 MPa。在27 s时刻Set3X方向热应力为176 MPa，而Set5X方向热应力则高达236 MPa，两者相差60 MPa，由此可知激光二次扫描可明显降低X方向瞬时热应力。

图5为Set3与Set5中M点的Y方向瞬时热应力变化情况。在前14 s过程中，两者的热应力变化情况是一致的，其应力变化情况与X方向瞬时热应力的变化相似。在14 s之后，Set5中的Y方向瞬时热应力基本恒定，保持在125 MPa左右。而Set3中试样受到激光二次扫描作用，随着二次扫描光斑的靠近，Y方向瞬时热应力由130 MPa的拉应力迅速转变为280 MPa的压应力。该区域在二次扫描加热过程中由拉应力向压应力转变的原因与图4中的转变是一样的，但由于修复层Y方向应变较大，从而导致修复层在受热膨胀时受到周围基体的约束更大，压应力的作用更大，在“中和”掉M点原有的拉应力后，压应力继续作用，从而导致拉应力转变为了压应力[4]。之后随着光斑的远离，M点逐渐由压应力转变为拉应力，在23 s之后基本保持恒定，维持在150 MPa。比较Set3与Set5的Y方向瞬时热应力可得，激光二次扫描使得Y方向瞬时热应力升高，但升高幅度很小，仅为25 MPa。

图5 Set3与Set5中M点Y方向瞬时应力

图6为Set3与Set5中M点的Z方向瞬时热应力变化情况。两者的变化规律基本一致，在修复阶段受到激光直接作用形成熔池时有应力突变发生，在之后各时刻中，Z方向基本不受热应力作用。Set3与Set5的区别在于激光二次扫描过程中，Set3在二次扫描光斑直接作用下有很小的应力突变。由此可知，在激光热作用过程中，试样受到的Z方向热应力很小，因而激光二次扫描对Z方向热应力几乎没有影响。

图6 Set3与Set5中M点Z方向瞬时热应力

综合M点X、Y、Z方向的瞬时热应力可知，激光二次扫描显著减小了X方向的瞬时热应力，但导致Y方向的瞬时热应力小幅增加，对Z方向的热应力几乎没有影响。由三个方向的瞬时热应力矢量叠加（见图7）来看，激光二次扫描对降低瞬时热应力是有利的，二次扫描使热应力降低了60 MPa。

图7 Set3与Set5中M点瞬时热应力

2.2.2 残余拉应力分析

瞬时热应力是判断激光热作用过程中热力变化的重要参数。在激光热作用过程结束之后，试样冷却至室温，其内部应力状态达到稳态，此时存在于试样内部的应力为残余应力。残余应力对于试样的实际应用过程有直接影响，是判别修复质量优劣的重要依据，因此有必要对激光二次扫描工艺下的残余应力状态进行研究。灰铸铁HT250属于典型的抗压不抗拉材料，其抗拉强度很低，因此重点研究其残余拉应力。图8为Set3和Set5中试样冷却至室温后的残余拉应力分布情况。

图8 Set3和Set5中残余拉应力分布

图8中的试样经过约1 800 s的冷却，温度已降至室温，其内部拉应力达到稳态。Set3与Set5中的残余拉应力分布基本一致。由于激光热源主要作用在修复层，所以残余拉应力主要集中在修复层和修复层附近区域，远离修复层的基体区域残余拉应力值较低。在修复层的中部形成了较高的应力区域，而修复层两端的应力值相对较低，这说明试样在冷却过程中，修复层中心区域的收缩情况最为严重。修复层与基体的交界线两端出现了最大的拉应力，是容易产生裂纹的危险部位。尽管Set3与Set5中残余拉应力的分布状态大体一致，但Set3中的应力值比Set5中的应力值要小，如Set3修复层中部拉应力值为260 MPa，而Set5为305 MPa；Set3修复层与基体交界线结束端的拉应力值为293 MPa，而Set5为344 MPa。这说明激光二次扫描对缓解残余拉应力是有效的[5]。

为更好地研究残余拉应力的分布情况，本文选取了不同的路径研究其残余拉应力。取模型关于中心截面对称的一半，所选取的主要路径如图9所示。Line1为激光扫描中心线，Line2为修复层与基体的交界线，Line3为修复层横向路径，Line4为修复层和基体的深度方向上的路径，Line5与Line1平行。根据两条路径间的距离d的不同，可研究激光在扫描方向上不同深度的路径分布，其中d分别取值为0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm与2.0 mm。

图9 残余拉应力查看路径

通过Line1至Line4路径，可较为全面地观察修复层与基体在长度方向、横向方向与深度方向的残余拉应力分布情况，如图10所示。图10(a)为Line1激光扫描中心线上的残余拉应力分布，在Line1的始端和末端残余拉应力均较小，在Line1中部残余拉应力较大，其中Set5约为265 MPa，而Set3仅为220 MPa，且Set3中残余拉应力的下降趋势更为明显。图10(b)为Line2修复层与基体交界线上的残余拉应力分布，在修复起始端的应力较大，其中Set3为255 MPa，Set5为274 MPa。由路径起始端向中部靠近过程中，应力变小且变化过程逐渐平缓。在靠近路径末端处，应力再次出现波动。Line2路径上Set3与Set5的变化趋势是一致的，但是在路径中部的应力平缓区域，Set5中的残余拉应力比Set3中对应各点的应力平均要高25 MPa。修复层横向路径上残余应力的分布如图10(c)所示。与其余路径上残余拉应力的分布不同，Line3路径上的应力分布较为均匀，Set3的平均拉应力约为230 MPa，而Set5约为263 MPa，两者相差33 MPa。图10(d)为修复层与基体深度方向路径Line4上的残余拉应力分布，Set3与Set5中的拉应力分布几乎是一致的。在修复层（0～1 mm）中保持较高的应力状态，约270 MPa，在修复层下部（1～2 mm）的路径中，应力急剧下降，在2 mm处降为-6 MPa，之后随着深度的增加，拉应力缓慢上升至45 MPa。这说明在激光修复过程中，修复层是激光热作用最剧烈的区域，在修复结束之后存在很高的残余拉应力，而远离修复层的基体中残余拉应力值很低。

图10 Set3和Set5中Line1至Line4上的残余拉应力

Line5与Line1平行，通过d的大小可设定Line5的深度，Line5反映了不同深度上试样长度方向上的残余拉应力分布，如图11所示。图11(a)、图11(b)中d分别为0.5 mm、1.0 mm，则Line5代表了试样长度方向上修复层内部的残余拉应力分布情况。修复层内部残余拉应力在两端较低，在Line5路径中部，拉应力变大且基本保持恒定。图11(c)、图11(d)中d分别为1.5 mm和2.0 mm，则Line5代表了修复层下部基体中的残余拉应力分布情况。与修复层中的拉应力分布不同，靠近修复层的基体部分在路径Line5两端的拉应力较大，而在路径中部残余拉应力较小且基本保持恒定。Set3与Set5在该路径上的分布基本一致，说明激光二次扫描对该方向路径上的残余拉应力影响不大。通过对各路径上残余拉应力分布的研究可知，激光二次扫描在减小试样残余拉应力，尤其在降低修复层的残余拉应力方面，有较为积极的作用。

图11 Set3和Set5中Line5上的残余拉应力

3 结语

本文基于非线性热弹塑性理论，采用热-力间接耦合的有限元分析方法，实现了表面缺陷的动态填充修复，改进了现有三维热源以提高热源表达效率，创新设计了激光连续二次扫描工艺措施，建立了激光热修复全过程数值模型并验证其可靠性，给出了连续二次扫描热修复过程的熔区温度、热应力和热变形规律。研究发现，设计的二次扫描能够很好地缓解激光熔池瞬间冷凝形成的应力集中，有效改善了瞬态热应力分布情况。