水帘结构同步水冷装置对光-粉同路激光熔覆温度场的影响研究

目的解决大型设备激光增材修复过程中的局部升温易烧蚀零件边缘、熔化内部导线及橡胶圈、损坏原有结构的问题。方法采用Fluent软件和VOF模型研究水帘下干区稳定气液两相流模型,通过Abaqus软件和热传导三定律、热弹塑性理论、热变形理论建立温度场和弯曲变形的数值模型,并通过对比光-粉同路和同步水冷2种方式下熔覆316L不锈钢的熔池形貌、晶粒尺寸、热量累积、弯曲变形差异,验证同步水冷对熔覆过程中温度场的影响机理。结果同步水冷装置内部水帘呈散射状流向四周,能够形成稳定的干区环境,沉积后的金相表面无明显气孔、裂纹等缺陷。在相同参数单道沉积时,温度云图和熔池形貌表明,水冷有效缩减了熔池的大小,但其对熔池凝固速度的影响较小,二者平均晶粒尺寸仅存在略微差别,分别为28.81μm和27.55μm。多道沉积时,水帘的冷却作用拔高了熔池边缘的温度差异,拉低了外延区域的热量累积,在降低基板整体温度的同时,增大了熔池边缘的温度梯度,而温差的增大带来了更大的热应力,导致不同沉积方式下基板的变形程度不同。在悬臂梁搭接熔覆试验中,采用热电偶测得同步水冷能保持基板背面温度在50℃以下,而光-粉同路最高能达到500℃。同时,悬臂梁厚度较薄时,基板上下面温差产生的热应力大于基板自身约束力,试样发生严重变形,且含同步水冷的变形更为明显。厚度增加时,试样自身约束力增大,变形量差异逐渐减小。结论同步水冷水路的耦合限制了熔池热量的深入与扩散,可以有效实现熔覆过程中加工区域的温度控制,同时也会导致在工件较薄时弯曲变形程度提升,但在板材厚度大于3 mm时,变形量差别趋于相同,且越来越小。