通用工艺与设备

0118501激光相变硬化可视化分析[刊]/谢琼//光电子·激光.—2001,12(5).—495～499(E)提出激光加工热响应的空间温度场可视化方法并对相变硬化进行分析。应用颜色映射原理,建立空间温度场数据点着色色彩与温度的对应关系,用可视化方法分析了光束功率密度和移动速度对空间温度分布及相变硬化带的影响。方法可以直观、形象地显示温度场分布形态,预测相变硬化的深度和宽度,为研究激光束与材料相互作用时的参数优化提供了理论基础。参7     

脉冲激光相变硬化中的二维点阵光强分布设计

激光强度空间分布是影响脉冲激光相变硬化效果的重要因素。现有的二维点阵光束按强度均匀分布设计,不能完全满足应用要求。为此提出基于有限元(FE)分析的光强空间分布逆向设计思路,并给出了实现方法。建立脉冲激光相变硬化有限元模型,考虑了材料热物性参数随温度的变化和相变过程,并用实验进行校核。研究了二维点阵分布参数对温度场的影响,从目标温度场和硬化层形貌出发对二维点阵的分布参数进行调整,获得优化的强度空间分布。针对汽车冲压模具表面强化的工艺要求,应用此方法设计出具有实用价值的激光强度空间分布。     

工件形状对激光相变硬化温度场和应力场的影响

利用Sysweld有限元软件建立三维有限元模型,采用三维高斯热源,考虑材料热物性能随温度的变化,对平板和回转体内壁进行了激光相变硬化数值模拟。分析了温度场、残余应力以及马氏体分布的异同,研究了工件形状对激光相变硬化温度场和残余应力的影响规律。结果表明,在表层方向上,平板模型和回转体内壁模型的热循环相似;截面方向上,内壁模型峰值温度高于平板模型。处理后相变区组织均主要以马氏体为主,其体积分数约为90%。相变区边缘及热影响区产生残余拉应力,相变区存在残余压应力;与内壁模型相比,平板模型相变区中心残余压应力数值较大。     

脉冲激光钼表面氮化处理温度场的数值模拟

本文用有限差分法对金属钼表面脉冲激光生成氮化钼薄膜过程的温度场进行了三维数值模拟计算,计算模型在能量平衡方程的基础上,将入射的脉冲激光在时间与空间上的分布以Gauss分布考虑,同时考虑工件尺寸、工件材料热物理性质及对流辐射造成的表面热损失等对温度场的影响,此外还从理论上计算了激光脉冲在脉冲宽度加宽后的温度场变化,分析了利用长脉冲激光进行材料表面相变硬化和激光重熔的可行性。     

激光对二元合金表面相变硬化的数值模拟

本文用有限差分法对合金材料激光相变硬化过程的温度场进行了三维数值计算。模型主要考虑了入射激光光束的Ｇａｕｓｓ分布特性,以及工件的有限尺寸,工件材料热物理性质的温度依赖关系,对流、辐射造成的表面热损失。根据模型可以得出工件表面及内部的温度分布,并预测激光处理的相变层深。     

GCr15轴承钢激光强化温度场及组织结构

应用宽带扫描技术对GCr15轴承钢进行激光强化处理实验,实测激光相变硬化区的硬度和深度.采用有限元软件对激光强化过程中的温度场进行数值模拟,数值模拟结果与实验结果符合较好.激光淬硬层显微硬度分布主要与激光加热时温度场分布有关,奥氏体化过程中渗碳体的溶解和奥氏体中碳的浓度决定了最终微观结构和表面硬度.表面温度高、奥氏体化时间相对较长及冷却速率快导致了表面的高硬度.表面最高温度接近熔化温度时,仍含有一定数量的未溶渗碳体.     

激光烧结Si／Fe混合粉末材料的温度场有限元模拟

利用ANSYS工具建立了选择性激光烧结热电功能材料β-FeSi2的三维瞬态温度场有限元模型,模型中考虑了混合材料热物性参数随温度与孔隙率的变化和材料相变过程对温度场的影响。系统分析了选择性激光烧结二元粉末内部温度场随时间和空间的变化规律,通过该有限元模型可以分析二元粉末激光烧结过程中激光热能在粉床内部的传输规律。模拟结果表明,随烧结深度增加,粉床内部温度和温度梯度迅速衰减,粉床内部温度场在深度方向呈漏斗状梯度分布,粉层内部热影响区域最深的位置滞后于激光束中心。在已烧结区域,粉层内部存在一个均匀分布的高温体积区间。对此粉层区域温度的研究将为实验中控制烧结材料相变过程与性能提供依据。     

GCr15钢激光相变硬化的三维数值分析

用有限差分法对GCr15钢激光相变硬化工艺过程进行了三维数值分析，得出试样表面和内部任意部位的三维温度分布图像，可以预测相变层深及作出相变区的剖面图，其结果与实验一致。     

红外高温温度场中非完全温度点重建方法与预测精度的研究

在高温温度场重建过程中,仍然需要通过温度场的单点温度值来构建整个温度场的温度分布情况。以焊接温度场为例,通过反距离加权法、克里格法和样条函数法三种插值方法,分别对其空间变异和布局进行了分析和重建。结果表明:不同插值方法对预测精度影响不显著,而采样点数量则显著影响了温度场空间分布的重建精度。在温度场重建过程中,25个采样点进行重建是比较适宜的采样数量。将得出的结论与最佳采样公式进行比较,发现使用公式计算的最佳采样数量相对偏低,说明不考虑采样点实际的空间变异情况,仅使用最佳公式得到的采样数量进行温度场的重建会导致重建结果的不准确。     

激光热处理温度场及相变硬化带的快速计算

提出了激光对金属材料表面非熔凝处理的稳态温度场快速计算以及快速确定铁基材料表面相变硬化带尺寸的方法。该方法不仅可以对任意功率密度分布的激光进行热作用计算，而且计算速度比相同精度的传统数值计算快两个数量级以上。     

激光驻波场中铬原子的三维沉积特性分析

利用近共振激光驻波场操纵中性原子实现纳米级条纹沉积是一种新型的研制纳米结构长度标准传递方法,但仅通过一维和二维形式的仿真不能给出激光驻波场作用下中性原子沉积纳米光栅的全部信息。利用半经典模型,从铬原子在高斯激光驻波场中的运动方程出发,通过四阶Rungo-Kutta法模拟了铬原子在高斯激光驻波场中的三维运动轨迹以及三维沉积条纹结构,并分析了原子束发散、色差和球差等因素对三维运动轨迹及沉积条纹结构的影响。结果表明,利用三维仿真形式模拟高斯激光驻波场中铬原子的运动得到的结果与一维和二维形式下相比可以直观地表现出其较为详细的本质。     

激光强化温度场的数值模拟与校验

采用MSC.Marc非线性有限元软件,对激光强化过程中的温度场进行数值模拟,分析了能量密度的变化对激光强化效果的影响。通过温度传感器测量激光强化时材料表面温度的变化来验证数值模拟的结果。模拟值与实测值基本吻合。结果表明,数值模拟结果可作为激光加工工艺参数选择的依据。     

齿轮激光淬火硬化层的快速估算及背面回火问题

采用平面瞬时热源法研究激光作用后轮齿内部的瞬态温度场分布,导出了实用的齿轮硬化层分布的快速估算公式,同时还讨论了齿轮的背面回火问题。     

激光热处理温度场的实验和理论研究

提出了一种激光热处理三维温度场内部边界条件模型，运用有限元方法，对激光热处理温度场进行数值模似，该模型所确定的温度场很好的保证了工作的能量守衡，使得该模型可以用于有限大工件硬化区域的预测。根据相变理论，对该模型进行了实验验证。从该模型得到很好的实验验证显示，数值模拟不仅可以用于激光热处理规律的进一步研究，还可以用于激光热处理的实验预测，获得最佳的热处理结果，达到节约实验费用的目的。     

脉冲激光表面强化数值模拟及热物性参量影响

建立了包含脉冲激光束时空分布、依赖于温度的材料参量、组织演化历史以及多次相变特征在内的脉冲激光表面强化三维有限元模型。针对常热物性和变热物性并考虑相变潜热两种情况，温度场及其演化分别得到了解析解和通用有限元软件的验证，强化区层深和宽度得到了实验验证。研究了材料热物性对强化区的影响，得到了一定范围内强化区层深随材料热物性参量的变化规律，即：热传导系数不变时，强化区层深随热扩散率的增加而增加；比热容不变时，强化区层深随热扩散率的增加而减小；热扩散率一定时，强化区层深随热传导系数和比热容的增加而降低。以球铁、共析钢和巾碳钢为例，分析了两种确定材料热物性常数方法，即一定温度范围内的平均值法和选取奥氏体化温度附近参量方法的可行性，研究表明平均值法可以得到较好的结果。     

激光淬火曲轴轴颈硬化层深度分布计算

本文介绍了曲轴激光淬火强化技术 ,采用千瓦级快速轴流式激光器对球铁曲轴进行了激光淬火试验。通过建立非稳态温度场模型 ,探讨了曲轴激光淬火时主轴颈处淬硬层深度沿激光扫描方向分布不均匀等问题 ,运用本模型可以在计算机上直接优化激光淬火工艺参数 ,避免了传统优化方法的不足。分析表明 ,理论计算和实际情况较为符合     

激光热处理工件边界的保护及模拟研究

激光热处理应用研究中，当激光作用区临近工件边界时，防止边界熔化并让边界获得满意的热处理是必须认真处理的重要问题。实验研究表明，根据被处理工件的边界形状设计光阑并将光阑放在合适位置，可以有效地避免边界损伤并获得高质量的处理结果。为简化热作用研究，通常可以将被处理材料视为热物性参数为恒量的连续介质，而当处理工件的边界由相交平面边界构成时，可以通过引入适当的像热源来处理边界问题，因此，用这种热处理温度场的半解析计算方法可以满意地获得边界附近的瞬态温度场。提出了一种边界保护的简单方法，并利用激光热处理温度场的半解析计算方法作出证明。研究结果表明，合适选择边界保护宽度，不但能够有效保护边界，并能在边界附近得到深度均匀的硬化带。     

激光热处理的模拟及其应用

采用无量钢参数，导出了匀强矩形激光光斑相变硬化处理钢铁材料时表面以下各部分材料所经历的最高温度与其距表面距离的关系曲线族。仅由此曲线族，即可根据要求的淬火层深度以及单位时间处理的表面积，计算确定激光热处理的参数。