摘 要

等离子堆焊技术对模具的性能提升有着重大作用，可以强化模具材料，获得在高温服役环境下更好的力学性能，化学性能以及更长的使用寿命。不过等离子堆焊也是一种焊接，堆焊中难免会产生一些缺陷，对其焊接路径的改变可以得到不同的结果，在各种路径中必定会有一些路径能使模具在堆焊后的使用性能更为优异，这对模具综合性能的改善与提高有着重要意义。

本文选取3种堆焊路径：S形，回形以及分形进行堆焊的模拟，采用Visual Mesh软件对等离子堆焊过程进行几何建模以及网格划分，在Visual Weld 中进行焊接前处理，然后调用Sysweld作为求解计算工具对堆焊温度场及应力场变化过程的进行模拟，然后进行温度场的测试实验，与模拟的温度场数据进行对比以确保软件模拟的可行性。

从实验的结果可以看出，回形路径在模拟中堆焊层上出现了最高的应力，达到 712Mpa，并且残余应力分布亦不均匀，沿对角线方向应力集中；S形路径在出现最大应力达到674.9Mpa；分形路径的应力分布均匀，焊接中应力均在510Mpa以下，大部分时间应力在400Mpa以下，残余应力最大值为571Mpa，出现于夹持位置上。可见，分形路径是三种路径中最优的。

关键词：镍基合金，堆焊路径，sysweld软件模拟，温度场应力场分析对比。

Abstract

Plasma surfacing welding technology plays a major role in strengthen the performance of the mold material, it can strengthen mechanical properties as well as longer service life under high temperature service environment. However, as one kind of welding, Plasma welding will inevitably cause some defects, exchanging the path of welding with get different results, in various paths, there must be some path can make the mold get more excellent performance, this is very important to the improvement of comprehensive performance for mold. This article selected 3 species heap welding path: s shaped, back shaped and points shaped for heap welding of simulation, used Visual Mesh software on plasma heap welding process for geometry modeling and grid division of plasma arc welding process, setting welding preprocessing in Visual Weld, then calls sysweld as solution calculation tool on heap welding temperature field and the stress field changes process of for simulation, then calculating for temperature field and stress field. Also we doing experience to get some data for comparing to ensure the feasibility of software simulation. The experimental results show, clip-path in analog overlay appears in the highest stress, above fractal path and s-shaped path 200-300Mpa, the stress distribution is not uniform and in general, stress concentration diagonally; S-shaped path on the clamping point appears the maximum stress, uniform stress is minimal. Fractal path is the best in three ways.

Key words: nickel-based alloys, welding path sysweld software simulation, analysis of temperature field and stress field comparison.

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 热锻模具的修复再制造技术 1

第2章 等离子堆焊技术介绍 2

2.1 等离子堆焊的特点 2

2.2 焊接材料 3

2.21 材料的选择 3

2.22 镍基合金成分和性能 3

2.23 镍基合金组织 4

2.24 Inconel 718合金 4

2.3 堆焊路径 6

2.3.1 分形几何图形的介绍与生成 7

2.3.2 分形理论在材料科学及材料加工领域中的应用 8

2.4 热源模型 10

第3章 模型的建立 12

3.1 模型的建立与网格划分 13

3.2 Visual Weld焊接前处理过程 17

3.21 定义焊接线 17

3.2.2 定义材料的热物理性能、机械力学性能参数 17

3.23 计算 17

3.3 求解与计算 18

第4章 模拟结果 19

4.1 温度场结果 19

4.2 应力场结果 24

4.3 实验验证 26

第5章 结论 29

参考文献 30

致 谢 32

第1章 绪论

1.1 引言

现代社会的机械制造行业正在快速发展，促进了越来越多的模具投入使用。尤其是进入“十二五”规划以来，模具的发展整体趋势开始逐步转变为以大型、复杂、精密以及使用寿命长为主要方向。虽然我国的模具在数量上位列前茅，但是我国的模具制造技术、结构设计等很多方面依然达不到先进水平，还存在着不小的差距；另一方面，还要受到来自部分后来居上的发展中国家低成本原料的挑战，形势不容乐观，依然需要调高自身的综合竞争力^[]。

热锻模是一种应用非常广泛的工艺装备，可以用来生产大批量的零件，但是热锻模服役环境恶劣，容易发生多种失效形式，例如磨损、裂纹等的缺陷，从而极大的降低热锻模具的使用寿命，影响着锻造企业的生产效率、经济效益以及市场竞争力^{[2] [3]}。普通均质模具钢在热处理后可以达到一定性能，但仍难以完全满足连续工作情况下模具表面性能的需求，模具表面改性是改善其性能的主要方向之一。