【Objektif】Lapisan laser dapat meningkatkan kinerja kerja kepala pick dan meningkatkan masa pakainya. Apakah parameter cladding sesuai memiliki dampak langsung pada kinerja pick. Oleh karena itu, perlu dilakukan penelitian simulasi numerik pada pelapis laser dari pick. 【Metode】Medan suhu selama proses pelapisan laser pick dipelajari, dan pengaruh daya laser dan laju pemindaian pada medan suhu dan medan tegangan dipelajari. Di platform meja kerja Ansys, pemrograman APDL dan teknologi kelahiran dan kematian unit digunakan untuk mendapatkan medan suhu dan medan tegangan pick pada laju pemindaian dan daya laser yang berbeda. 【Hasil】Semakin tinggi daya laser, semakin tinggi suhu puncak dan semakin rendah laju pendinginan. Meningkatkan daya laser akan meningkatkan tegangan termal sisa selama pelapisan dan setelah pendinginan. Semakin tinggi kecepatan pemindaian, semakin rendah suhu puncak. Meningkatkan kecepatan pemindaian akan mengurangi tegangan sisa selama pelapisan dan setelah pendinginan. Pada saat yang sama, meningkatkan laju pemindaian dan daya laser dapat meningkatkan efisiensi pelapisan, dan tegangan sisa selama pelapisan dan setelah pendinginan akan berkurang secara keseluruhan. 【Kesimpulan】Saat meningkatkan efisiensi pelapisan, dampak pada kinerja harus dipertimbangkan. Perlu untuk mengubah parameter proses keseluruhan secara komprehensif. Pada saat yang sama, perlakuan panas yang tepat diperlukan setelah pelapisan untuk lebih mengurangi tegangan sisa.

Pick merupakan bagian penting dari bagian pemotongan mesin penambangan batu bara. Karena lingkungan lapisan batu bara yang kompleks, bagian-bagian dari bagian pemotongan mesin penambangan batu bara harus memiliki kekuatan dan masa pakai yang cukup untuk memenuhi persyaratan kerja dan masa pakai bagian-bagian tersebut [1]. Pick yang tidak dirawat tidak dapat lagi memenuhi persyaratan industri saat ini. Pick harus diperkuat permukaannya sebelum dapat digunakan. Metode perawatan permukaan yang umum digunakan untuk pick adalah surfacing. Meskipun surfacing dapat meningkatkan kekuatan pick sampai batas tertentu, dengan perkembangan industri, sifat-sifat utama pick setelah perawatan surfacing, seperti kekerasan, ketahanan aus dan ketahanan korosi, tidak dapat lagi memenuhi persyaratan. Saat ini, sebagian besar perusahaan memilih pelapisan laser untuk merawat permukaan pick. Studi ini mensimulasikan medan suhu dan medan tegangan dari berbagai daya pelapisan laser dan kecepatan pemindaian untuk mendapatkan parameter yang sesuai.

Leunda et al. [2] melakukan uji serbuk NiCr-WC pelapisan laser pada dinding bagian dalam komponen lubang silinder ganda. Hasil penelitian menunjukkan bahwa partikel WC bulat memiliki tingkat pemanfaatan serbuk yang lebih tinggi untuk bentuk yang tidak beraturan, dan mudah untuk menghasilkan lapisan pelapis yang memenuhi persyaratan. Emamian et al. [3] mempelajari pengaruh parameter proses pelapisan laser pada morfologi makroskopis lapisan pelapis TiC. Hasil penelitian menunjukkan bahwa parameter proses memiliki pengaruh langsung pada pembentukan morfologi TiC dan memainkan peran utama. Xu Mingsan et al. [4] menggunakan metode geser untuk menguji kekuatan ikatan antara lapisan pelapis dan substrat, dan mempelajari pengaruh beberapa faktor yang memengaruhi pada kekuatan ikatan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kekuatan ikatan lapisan pelapisan laser dapat memenuhi persyaratan kerja. Deng Dewei et al. [5] menggunakan pelapisan laser untuk meningkatkan sifat permukaan bantalan yang dilumasi air, dan mempelajari pengaruh berbagai parameter proses pada lapisan pelapis Ni40 melalui eksperimen. Liu [6] menggunakan model tiga dimensi untuk menganalisis efek peleburan ulang laser pada tegangan sisa lapisan NiCrBSi. Hasil penelitian menunjukkan bahwa area yang dilebur ulang menunjukkan tegangan sisa tarik. Luo et al. [7] menggunakan teknologi kejut laser untuk menghilangkan tegangan sisa yang besar di dalam lapisan dan mengoptimalkan struktur mikro dan sifat mekanis lapisan. Das et al. [8] menemukan bahwa peleburan ulang laser dapat menghasilkan tegangan tekan sisa pada permukaan lapisan, yang menghambat pembentukan dan perluasan retakan, sehingga secara signifikan mengurangi kerapatan retakan lapisan. 1. Pembentukan model dan simulasi numerik

1.1 Model bagian dan pembagian mesh

Jenis pick U47-22 dipilih dalam penelitian ini. Pelapisan laser pick adalah untuk melapisi lapisan pelapis setebal 2 mm di area tegangan utama. Model elemen hingga pick ditunjukkan pada Gambar 1. Pengikatan sangat penting dalam analisis elemen hingga. Kualitas pengikatan secara langsung memengaruhi akurasi perhitungan. Area perhitungan utama pick berada pada posisi lapisan pelapis, sehingga pengikatan pada posisi ini dienkripsi, dan ukuran pengikatan pada posisi lain dapat ditingkatkan dengan tepat untuk mengurangi waktu perhitungan.

Untuk menyederhanakan model perhitungan simulasi numerik medan temperatur, maka dibuat asumsi-asumsi dalam proses simulasi [9]: material bersifat isotropik; pengaruh aliran fluida kolam cair terhadap medan temperatur diabaikan; kalor laten perubahan fasa pada proses pelapisan diabaikan; kehilangan kalor akibat radiasi termal diabaikan; dan penguapan material diabaikan.

1.2 Model sumber panas

Saat ini, sumber panas yang umum digunakan untuk simulasi pelapisan laser meliputi sumber panas permukaan Gaussian, sumber panas badan Gaussian, sumber panas elipsoid, sumber panas elipsoid ganda, dll. Untuk objek dan fokus penelitian, sumber panas permukaan Gaussian lebih cocok.

1.3 Kondisi batas dan unit kelahiran dan kematian

Kondisi batas analisis termal transien meliputi perpindahan panas konveksi dan radiasi termal. Untuk menyederhanakan perhitungan, hanya konveksi panas antara bagian-bagian dan lingkungan yang dipertimbangkan. Koefisien konveksi panas terkait dengan suhu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Teknologi unit kelahiran dan kematian mematikan unit sebelum sumber panas dimuat, sehingga ketika sumber panas belum dimuat ke posisi tersebut, model material pada posisi tersebut tidak memiliki sifat apa pun. Setelah sumber panas dihasilkan, unit yang sesuai diaktifkan, dan unit yang diaktifkan mulai menerapkan sifat material. Penerapan unit kelahiran dan kematian membuat simulasi lebih dekat dengan situasi sebenarnya [10].

2 Hasil dan analisis simulasi

2.1 Hasil bidang suhu

Distribusi medan suhu pada saat tertentu ketika daya 3.5 kW dan kecepatan pemindaian 0.4 π/s ditunjukkan pada Gambar 3. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, unit yang dipindai oleh laser diaktifkan, dengan suhu maksimum 2 ℃ dan suhu minimum 082.8 ℃. Suhu berdifusi keluar dalam bentuk perpindahan panas di dalam pick. Semakin dekat ke area titik laser, semakin tinggi suhunya. Karena penerapan sumber panas merupakan proses sesaat, area pelapisan akan mengalami proses pemanasan dan pendinginan yang cepat, yang akan menyebabkan gradien suhu yang besar di dekat area pelapisan dan menghasilkan tegangan termal yang besar secara instan. Namun, saat waktu pendinginan meningkat, tegangan termal akan perlahan berkurang tetapi masih besar [25]. Saat pick bekerja, kepala paduan dan area pelapisan terutama tertekan. Tegangan yang berlebihan akan sangat mengurangi masa kerja pick. Untuk meningkatkan masa pakai pick, pasca-pemrosesan harus dilakukan untuk mengurangi tegangan internal.

Kurva suhu-waktu dari berbagai titik referensi ditunjukkan pada Gambar 4. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4, selama proses pelapisan, suhu setiap titik referensi akan memiliki beberapa puncak. Puncak pertama adalah saat sumber panas laser diterapkan. Pada saat ini, suhu adalah yang tertinggi dan material dilapisi pada substrat pada saat ini. Puncak berikutnya dihasilkan oleh perpindahan panas saat sumber panas laser diterapkan pada posisi yang sesuai dari lapisan pelapis berikutnya. Suhu pada saat ini akan memengaruhi evolusi organisasi lapisan pelapis dan material substrat, dan secara langsung akan memengaruhi kekerasan dan ketahanan aus permukaan material [5]. Selama proses pelapisan lapisan pelapis pada berbagai posisi pick, suhu puncak akan berbeda karena pengaruh konduksi panas.

Kurva suhu-waktu pada berbagai tingkat pemindaian ditunjukkan pada Gambar 5. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5, semakin tinggi tingkat pemindaian, semakin pendek titik laser berada di permukaan komponen, semakin sedikit energi yang diserap komponen, dan semakin rendah suhu maksimum komponen. Ketika kecepatan pemindaian melebihi nilai ekstrem tertentu, energi yang dihasilkan oleh laser tidak dapat lagi melelehkan material.

Kurva suhu-waktu pada daya yang berbeda ditunjukkan pada Gambar 6. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6, semakin tinggi daya, semakin tinggi suhu maksimum bagian tersebut, dan semakin rendah laju pendinginan. Laju pendinginan akan memengaruhi sifat material, terutama tegangan sisa dan kekerasan material [11]. Dapat disimpulkan bahwa peningkatan kecepatan pelapisan pasti akan menyebabkan penurunan energi yang diserap oleh material. Peningkatan daya laser dapat meningkatkan penyerapan energi material, sehingga meningkatkan suhu puncak. Ketika laju pemindaian ditingkatkan dari 0.1 π/s menjadi 0.4 π/s dan daya laser ditingkatkan menjadi 3.5 kW, waktu untuk mencapai suhu puncak sama dengan peningkatan laju saja, tetapi suhu puncak ditingkatkan sekitar 400 ℃. Dibandingkan dengan peningkatan daya laser saja, waktu untuk mencapai suhu puncak adalah 10 detik lebih awal dan suhu puncak berkurang sekitar 1 ℃.

2.2 Hasil medan tegangan

Diagram awan medan tegangan pada ujung pelapisan dengan daya 3.5 kW dan kecepatan pemindaian 0.4 π/s dan pendinginan alami 1 jam ditunjukkan pada Gambar 7. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7, karena proses pelapisan laser merupakan proses pemanasan dan peleburan cepat, diikuti oleh pendinginan dan pemadatan cepat, tegangan termal yang besar akan dihasilkan pada lapisan pelapisan. Tegangan termal terutama terkonsentrasi pada lapisan pelapisan, dan tegangan maksimum berada pada batas kolam cair [12]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7 (a), tegangan maksimum pada ujung pelapisan adalah 2.294 7×108 MPa. Karena suhu yang berbeda memiliki laju pendinginan yang berbeda dalam lingkungan konveksi yang sama, tegangan maksimum berkurang menjadi 7.693 4×107 MPa setelah pendinginan selama satu jam.

Tegangan sisa pada daya laser yang berbeda dan kecepatan pemindaian yang berbeda ditunjukkan pada Tabel 1 dan 2. Laju pemindaian laser tetap tidak berubah, dan daya laser meningkat menjadi 0.5 kW dan 1.5 kW masing-masing. Tegangan di ujung pelapisan meningkat masing-masing sebesar 0.28×108 MPa dan 1.13×108 MPa. Setelah pendinginan selama 1 jam, tegangan meningkat masing-masing sebesar 0.16×107 MPa dan 0.57×107 MPa. Ketika daya laser tetap tidak berubah, kecepatan pemindaian meningkat masing-masing sebesar 0.1 π/s dan 0.3 π/s, dan tegangan di ujung pelapisan berkurang masing-masing sebesar 0.04×108MPa dan 0.07×108MPa. Setelah pendinginan selama 1 jam, tegangan berkurang masing-masing sebesar 0.46×107MPa dan 0.81×107MPa. Ketika daya laser ditingkatkan menjadi 3.5 kW dan kecepatan pemindaian laser ditingkatkan menjadi 0.4π/s pada saat yang sama, tegangan sisa di ujung pelapisan adalah 2.29×108MPa, yang 0.88×108MPa lebih rendah daripada hanya meningkatkan daya, dan 0.32×108MPa lebih tinggi daripada hanya meningkatkan kecepatan pemindaian. Setelah pendinginan selama 1 jam, tegangan sisa adalah 7.69×107MPa, yang 1.23×107MPa lebih rendah daripada hanya meningkatkan daya, dan 0.15×107MPa lebih tinggi daripada hanya meningkatkan kecepatan pemindaian. Singkatnya, meningkatkan daya laser saja akan meningkatkan tegangan termal sisa selama pelapisan dan setelah pendinginan, sementara meningkatkan kecepatan pemindaian saja akan mengurangi tegangan sisa selama pelapisan dan setelah pendinginan. Dibandingkan dengan hanya meningkatkan satu parameter saja, meningkatkan daya dan kecepatan pemindaian secara bersamaan, tegangan sisa setelah berakhirnya pelapisan dan pendinginan selama 1 jam secara umum menunjukkan tren menurun.

3. Kesimpulan

Penelitian ini menggunakan platform Workbench untuk mensimulasikan medan suhu selama proses pelapisan laser pada pick, dan menganalisis pengaruh daya laser dan laju pemindaian pada medan suhu pelapisan laser, lalu menarik kesimpulan berikut.

① Daya laser memengaruhi suhu puncak dan tegangan sisa selama pelapisan. Semakin tinggi daya laser, semakin tinggi suhu puncaknya, dan seiring peningkatan daya, laju pendinginan menurun. Peningkatan daya laser akan meningkatkan tegangan termal sisa selama pelapisan dan setelah pendinginan.

② Semakin tinggi kecepatan pemindaian, semakin rendah suhu puncaknya. Jika kecepatannya terlalu tinggi, energi yang diserap oleh komponen tidak cukup untuk melelehkan material. Meningkatkan kecepatan pemindaian akan mengurangi tegangan sisa selama pelapisan dan setelah pendinginan.

③ Meningkatkan kecepatan pemindaian dan daya laser secara bersamaan dapat meningkatkan efisiensi pelapisan, dan suhu juga dapat mencapai suhu yang dibutuhkan. Tegangan sisa keseluruhan selama pelapisan dan setelah pendinginan akan berkurang.