CC BY
53
УДК 621.375.826
ТЕПЛОВОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА МАТЕРИАЛЫ КОМБИНИРОВАННЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОТОКОВ ПРИ ПЛАЗМЕННО-ЛАЗЕРНОМ НАНЕСЕНИИ ПОКРЫТИЙ
© 2002 С.П. Мурзин
Самарский государственный аэрокосмический университет
Разработана расчетная модель формирования температурных полей в технологических объектах при плазменно-лазерном нанесении покрытий. Проведены исследования теплового воздействия на материалы комбинированных энергетических потоков. Расчетные значения температур для выбранной группы материалов в широких диапазонах скорости перемещения и мощности теплового источника удовлетворительно совпадают с результатами экспериментальной оценки (погрешность 8<15...20%).
Одним из перспективных направлений развития технологии машиностроения является совершенствование методов обработки материалов концентрированными энергетическими потоками, к числу которых относится лазерное излучение. Разработанные на основе последних достижений науки и техники высокоэффективные технологические процессы лазерной обработки материалов позволяют существенно повысить показатели экономичности изготовления и надежности изделий процессов [1]. Более значительными потенциальными возможностями обладают методы высокоэнергетической обработки на основе интегрирования лазерного излучения с плазменной струей и дуговым разрядом. Потоки плазмы и электрическая дуга при газотермическом нанесении покрытий воздействуют на материалы с большей тепловой мощностью и относительно невысокой её плотностью. Их совмещение с высокоорганизованным полем лазерного излучения при комбинированной обработке создает предпосылки для повышения эффективности использования энергии при сочетании преимуществ составляющих процессов [2-4].
Наиболее значимым фактором, влияющим на формирование физико-механических свойств материалов и эксплуатационных характеристик изделий при воздействии концентрированных энергетических потоков, является температура в зоне обработки. Теоретическое и экспериментальное изучение
тепловых процессов позволяет выделить общие закономерности и определить основные направления совершенствования технологических процессов. В работах [5, 6 и др.] разработаны расчетные модели тепловых процессов при взаимодействии энергетических потоков с веществом, основанные на всестороннем учете сложных физических процессов и их математическом описании. Приближенные аналитические решения известных систем дифференциальных уравнений могут использоваться в относительно простых схематизированных моделях для проведения качественного и приближенного количественного анализа тепловых явлений. Возрастающие возможности вычислительных средств обуславливают широкое применение численных методов решения нестационарных трехмерных задач нелинейной теплопроводности.
При нагреве заготовок концентрированными потоками энергии характерны большие градиенты температур, высокие скорости нагрева и охлаждения, смещение точек структурных и фазовых переходов, изменение в процессе обработки оптических и теплофизических свойств металлов и сплавов. Численное интегрирование дифференциального уравнения теплопроводности проводится с учетом зависимостей от температуры теплофизических коэффициентов и оптических характеристик наносимых обрабатываемых материалов. Теплофизические функции зави-
симости от температуры теплопроводности
- к(Т), объемной теплоемкости - еу(Т), полной поверхностной теплоотдачи - а(Т) и эффективного коэффициента поверхностного поглощения лазерного излучения - А(Т) задаются табулированными значениями с шагом по температуре. Протяженность зоны обработки соизмерима с размерами тела, поэтому расчет проводится с учетом реальной геометрической формы обрабатываемой детали.
Расчеты температурных полей в материалах проводились для трех вариантов привязки полосового лазерного энергетического источника в зоне плазменного нагрева: перед участком воздействия плазменной струи, в его центре и позади зоны нанесения покрытия (рис.1) [7]. Увеличение плотности мощности лазерного излучения по краям полосы компенсирует повышенные тепловые потери периферийных участков и позволяет обеспечить наиболее однородное распределение механических свойств по ширине зоны термического влияния.
Принятая для расчетов температурных полей схема нагрева деталей при плазменно-
лазерном нанесении покрытий представлена на рис.2. Полосовой лазерный энергетический источник расположен: перед участком воздействия плазменной струи, что позволяет осуществить режимы термоактивации обрабатываемой поверхности.
Деталь перемещается с постоянной скоростью х в положительном направлении оси Оу в системе координат (х, у, г), помещенной в центр пятна нагрева лазерного энергетического источника. Принимаются допущения: тепловые источники с заданной геометрией и распределением плотности мощности являются поверхностными; в условиях достаточно быстрой кристаллизации наносимых расплавленных частиц их конвективное перемешивание отсутствует, а граница фазового перехода тонкого слоя расплава находится на поверхности детали.
Распределение плотности мощности лазерного излучения ц Л в пятне нагрева определяется соответствующими оптическими расчетами в зависимости от исходных характеристик излучения [8]. При определении температуры поверхности в пятне напыления, вследствие кратковременного действия
Рис.1. Схема плазменно-лазерного нанесения покрытий: 1 - лазерное излучение, вводимое перед участком воздействия плазменной струи (А), в его центре (Б) или позади зоны нанесения покрытия (В); 2 - динамический фокусатор излучения (элемент компьютерной оптики); 3 - плазмотрон; 4 - плазменная струя; 5 - нанесенное покрытие; 6 - основа; 7- подслой. Н - дистанция напыления; Р - фокусное расстояние оптического элемента; 1_ - расстояние от центра области плазменного воздействия до центра светового пятна лазерного излучения; йп - диаметр пятна нагрева материала плазменной струей
Рис.2. Схема расчета температурных полей при плазменно-лазерном нанесении покрытий. На рис. обозначено: 2, 3, 4 - граничные условия второго, третьего и четвертого рода соответственно; 5(х,уД), И, Н - толщина наносимого покрытия, подслоя и основы соответственно; Ь - расстояние между центром лазерного О Л и осью симметрии плазменного Оп энергетических источников; V - скорость перемещения обрабатываемой детали
теплового потока отдельных частиц, нагрев напыляемым материалом принимается интегральной оценкой. Принято считать [9], что распределение тепловой мощности плазменной струи яп, т.е. введенной в изделие энергии с учетом ее выделения при кристаллизации напыляемых частиц, характеризуется законом нормального распределения. На остальной части поверхности задаются нелинейные условия теплообмена с окружающей средой.
С учетом принятых допущений математическая формулировка нелинейной объемной тепловой задачи при плазменно-лазерном нанесении покрытий имеет вид:
Эх
+
к,дї (Т)-Эх
V
Э
+-
к,,2,3 (Т Ь-
ЭУ
+
Эz
Э
к1,2,3 (Т)^ + А(Ткл(х» У» *)+ (1)
/ ч (гг4ЭТ ЭТ 1 А
+ Чп ( У» *)- 1,2,3 (Т~Ь~ЭУ 0 = 0
Т1Д3 (у^Д = 0)= Т0 (х,у^), (2)
■ к1,2(Т)ЭТ = а(ткл (х>у.1)+ Яп(ХУ’1 ) (3) Эz
- кі,2,3 (Т )|Т = «1,2,3 (Т(2,3 - То ) (4)
к1,
ЭТу
Эz
ЭТ
2,3
"2,3
Эz ’
• Т12 = Т
1,2 = Т2,3, (5)
где х, у, z - пространственные координаты; 1 - время; 1,2,3 - индексы покрытия, подслоя и основы соответственно; V - скорость перемещения обрабатываемой детали; к(Т) - коэффициент теплопроводности; оу(Т) - объемная теплоемкость; а(Т) - коэффициент полной поверхностной теплоотдачи; А(Т) - эффективный коэффициент поверхностного поглощения лазерного излучения; Т0 - температура окружающей среды (начальная температура); п -нормаль к поверхности, контактирующей с окружающей средой.
Формула (1) является системой дифференциальных уравнений теплопроводности для материала покрытия, подслоя и основы, выражение (2) - начальным условием, а уравнения (3), (4), (5) соответственно граничными условиями второго, третьего и четвертого рода. Они определяют удельный тепловой поток через поверхность тела, теплоотдачу с поверхности тела в окружающую среду и тепловой контакт на границах разделов разнородных материалов.
Для решения задач инженерного класса в работе [6] рекомендуется аппроксимацию частных производных в системе дифференциальных уравнении теплопроводности проводить с помощью метода рядов Тэйлора. Этот метод предполагает использование моделей с мелкой пространственной разбивкой и малым шагом по времени. Степень дискретизация разностных сеток - Ах = Ду = Дz < (0,5...0,8)'10-3 м вблизи источника нагрева с временным шагом А1 < (1,0.2,0)10-2 с. С увеличением шага по времени выше указанного значения точность решения снижается в результате возрастания погрешности разностной аппроксимации и из-за попытки представить процесс быстрее, чем он физически развивается. При повышении точности расчетов объем вычислений значительно возрастает, что требует больших затрат времени и значительного увеличения объема оперативной памяти вычислительных средств.
При численном решении тепловых задач дискретизацию дифференциального уравнения теплопроводности целесообразно про-
водить методом контрольного объема. Одним из важных свойств метода контрольного объема, подробно рассмотренного в работе [10], является точное интегральное сохранение таких величин, как масса и энергия на всей расчетной области при любо м числе узловых точек. Это позволяет значительно ускорить расчеты при экономии ресурсов памяти персонального компьютера. Основными этапами численного решения задачи являются: разбивка расчетной области с помощью сеток - получение массива N узлов, получение дискретных аналогов дифференциального уравнения методом контрольного объема, составление и приближенное решение системы алгебраических уравнений с N неизвестными (температуры в каждом узле в рассматриваемый момент времени). Неравномерная разбивка расчетной области с переменным шагом по осям координат, возрастающим в геометрической прогрессии при удалении от зоны воздействия внешних энергетических источников, позволяет значительно сократить время расчетов при сохранении устойчивости решения и повышении точности определения температур.
Дискретный аналог дифференциального уравнения теплопроводности в линейной форме имеет вид системы алгебраических уравнений, которые в нелинейной задаче решаются итерационным методом релаксаций.
Разработанная математическая модель формирования температурных полей при плазменно-лазерном нанесении покрытий доведена до уровня программного продукта, что обеспечивает ее применение, как по отдельности, так и в комплексе к лазерным и комбинированным, а также к другим близким по физической природе технологиям обработки материалов концентрированными энергетическими потоками. Программа численного моделирования тепловых процессов при плазменно-лазерном нанесении покрытий позволяет по заданной совокупности исходных данных получить массивы значений температур во всех узлах расчетной области в моменты времени, следующие с интервалом А1 Изменяемыми параметрами модели являются геометрические характеристики обрабатываемой детали и тепловых источников, режимы обработки, условия теплообмена и теплофизические свойства материалов. Положение изотермических поверхностей определяется интерполяцией значений температур между узлами сетки.
На рис.3 представлены результаты расчета температурного поля, имеющего место на поверхности детали газотурбинного двигателя из сплава ЭП718ВД (ХН45МВТЮБР) с подслоем НА-67 при плазменно-лазерном нанесении покрытия АНБ. Скорость перемещения комбинированного теплового источ-
Рис.Э. Результаты расчета температурного поля, имеющего место на поверхности детали газотурбинного двигателя при плазменно-лазерном нанесении покрытия. Скорость перемещения комбинированного теплового источника V = 510-2 м/с. Мощность лазерного излучения 0Л=180 Вт: 1 - Т = 320К; 2 - Т = 340К; 3 - Т = 380К; 4 - Т = 420К; 5 - Т = 460К; 6 - Т = 500К; 7 - Т = 520К
ника х = 510-2 м/с.
Для определения достоверности результатов теоретической оценки температурного поля проведено экспериментальное исследование воздействия комбинированных энергетических потоков. Использовался контактный способ измерения температуры терморезистором, тарированным по показаниям ртутного термометра и платино-родиевой термопары. Для регистрации временной зависимости температуры разработано устройство сопряжения - асинхронный логический анализатор, выполненный в виде платы расширения персонального компьютера [11].
Определение плотности теплового потока плазменной струи и коэффициентов теплообмена материалов в зависимости от технологических параметров и условий напыления проводилось по методике, разработанной в работе [12] на специальном контрольном стенде.
Методами традиционной металлографии проведено сопоставление исследуемых температурных полей в конструкционных материалах и характера структурных изменений. Скорость перемещения комбинированного теплового источника составляла V = (2.. ,20)10-2 м/с. Мощность лазерного излучения изменялась в пределах РЛ = 40.180 Вт. Дистанция напыления уменьшалась от 0,25 м до 0,1 м. Результаты расчета и экспериментальной оценки термического цикла материала в центре зоны комбинированного воздействия при плазменно-лазерном нанесении покрытия АНБ на деталь из сплава ЭП718ВД с подслоем НА-67 представлены на рис.4. Сравнение результатов экспериментальной оценки и теоретического исследования показало достаточную степень их сходимости (погрешность составляет 8п<15...20%) и подтвердило достоверность принятых допущений.
Выводы
Разработана расчетная модель формирования температурных полей в технологических объектах при плазменно-лазерном нанесении покрытий. С учетом принятых допущений обоснованы математическая формули-
Рис.4. Результаты расчета и экспериментальной оценки термического цикла материала в центре зоны комбинированного воздействия при плазменно-лазерном нанесении покрытия на деталь газотурбинного двигателя. Скорость перемещения комбинированного теплового источника V = 510-2 м/с. Мощность излучения С02-лазерной установки
0=180 Вт:
л
____- результаты расчета;________- эксперимент
ровка и метод решения нестационарных трехмерных задачи нелинейной теплопроводности при воздействии на материалы комбинированных энергетических потоков.
Проведены теоретические и экспериментальные исследования теплового воздействия на материалы комбинированных энергетических потоков. Расчетные значения температур для выбранной группы материалов в широких диапазонах скорости перемещения и мощности теплового источника удовлетворительно совпадают с результатами экспериментальной оценки (погрешность 8п < 15. 20%).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Handbook of laser processing / Ed. J.F. Ready.
- Orlando: Laser Institute of America. Magnolia publ. Inc., 2001.
2. Барвинок B.A., МордасовВ.И., Шорин В.П. Высокоэффективные лазерно-плазменные технологии в машиностроении. М.: МЦНТИ, 1997.
3. Способ лазерно-дуговой обработки материалов и его применение / Д.М. Гуреев, A.E. Зайкин, A.B. Золотаревский и др. // Лазерная технология и автоматизация ис-
следований: Труды ФИ АН СССР. М.: Наука, 1989.
4. Сом А.И., Кривцун И.В. Лазер + плазма: поиск новых возможностей в наплавке // Автоматическая сварка. 2000. №12.
5. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: Справочник / Н.Н. Рыка-лин, А.А. Углов, И.В. Зуев, А.Н. Кокора. М.: Машиностроение, 1985.
6. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. М.: Машиностроение, 1989.
7. Способ лазерно-газотермического нанесения покрытия: Патент РФ 2165997, МКИ7 С 23 С 4/12 / В.Н. Гришанов, В.И. Мордасов, С.П. Мурзин, К.В. Скляренко. Бюл. 12. 27.04.2001.
8. Мордасов В.И., Мурзин С.П. Математическая модель управления тепловым воз-
действием на материалы высокоэнергетических источников // Компьютерная оптика. М.: МЦНТИ, 2001. Вып.21.
9. Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование. М.: Металлургия, 1992.
10. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1984.
11. Новиков Ю.В., Калашников О.А., Гуляев С.Э. Разработка устройств спряжения для персонального компьютера типа 1ВМ РС: Практ. пособие. М.: ЭКОМ, 1997.
12. Барвинок В.А., Богданович В.И., Докукина И.А., Плотников А.Н. Математическое моделирование и физика процессов нанесения плазменных покрытий из композиционных плакированных порошков. М.: МЦНТИ, 1998.
THERMAL INFLUENCE ON MATERIALS OF THE COMBINED ENERGY FLOWS AT PLASMA-LASER COATING PRODUCTION
© 2002 S.P. Murzin
Samara State Aerospace University
The mathematics model of formation of temperature fields in technological objects at plasma-laser coating production is developed. The researches of thermal influence on materials of the combined energy flows are carried out. The calculated values of temperatures for the chosen group of materials in wide ranges of speed of movement and power of a thermal source satisfactorily coincide with results of an experimental estimation (error §n<15.. .20%).
