扫描电子束表面改性过程温度场的有限元分析

温 ℃ 度（ ）
密 度 （ｇｍ ｋ／ ）
２ ０ ５ １ Ｉ ０｛２ ３ ４ ０Ｉ０ ０ ０ ０ ０
２７ｏ ０
比 容（ｋＣ 热 Ｊｒ ） ・ ￣ ￣ ｌ ９ ７ Ｉ９ ｌ ９ ５ ８ ６ ７ Ｉ ９ ３ ０ ８ 热 导 数Ｗ ｍ℃ １ ８ ８ Ｉ １ 传 系 【（ ） ７ ｌ１ ｆ ４ ８ ／・ ］ ６ ０ １ ８
度等与改性过 程直接相关 的参数 。 了得到更合理的模 型 ， 为 我
们 做 了以 下几 点假 设 Ｉ ７ ］ ：
（ ） 件 的厚 度 和柬 斑半 径远 大 于 电子束 的能 量 沉积 的函数 ； （） ３ 电子束横截面 的能量分布呈高斯分布。
《 装备制造技术）ｏｏ ） ｌ 年第 １ ２ 期
扫 描 电子 束 表 面 改性 过 程 温 度 场 的有 限元分 析
王 荣， 孙培 新 ， 魏德 强
（ 桂林 电子科技大学机电工程学 院 广西 桂林 ５ １０ ） ４ ０ ４
摘 要： 根据 热传导理论和扫描 电子束焊杌的 实际工作状态 ， 模拟 了扫描 电子柬表 面改性过程 的温度 分布。采用六面体划分网格和 四
１１ 单 元 的 选 择 ．
模型 １ 六面体 模型 ２四面体
本研究 中 ， 由于改性过 程非常复 杂 ， 需用瞬 态热 分析 ， 故 选用 Ｓ ＬＤ ０三维热实体单元。 Ｏ Ｉ７ 该单元具有 ８个节点 ， 每个节 点有 １ 个温度 自由度 ，可补偿 由于恒定速度场质量输运带来 的热流损失［ ８ １ 。
面体划分网格 两种模 式， 来模拟 改性过 程的温度 变化 ， 并比较 了两种模 式下的温度 分布。结果表 明： 六面体 划分网格和四 面体划 分网
格 两 种 模 式 下 的 温度 分布 基 本 相 似 ， 采 用 六 面体 划分 网格 的模 型 的计 算 效 率较 高 。 而
关键 词 ： 扫描 电子 束； 表面改性； 温度 分布。 中图分类号 ： Ｇ４ ６３ Ｔ ５ ． 文献标识 码： Ａ
文章 编 号 ：６ ２ ５ ５ （ ０ ０ 一 ｏ ３ ０ ７ — ４ Ｘ２ １ １ｏ ４ —２ ０）
近十余年来 ， 高能束 （ 电子束 、 离子束 、 光束 ） 激 技术成 了
新兴的材料表 面改性技术 。 能量束可以在极 短的时间内， 把能 量沉积到材料表层内 ， 使材料 表层发生复杂的物理化学变化 ， 从而改进表 面的物理性 质 ， 进而达 到改性的 目的［ １ 】 。与其 他两
辐射率
Ｏ３ －
１３ 网 格 划 分 。
网格划分的好坏 ， 直接影响到求解的精度 ， 划分很差的 网 格会使 求解 精度严重 降低 ， 甚至还会导致不能求解【 ５ 】 。一般来 说， 单元数越多 ， 计算 的计算精度越高 ， 但计算 时间会 变长 。 本 研究 中分别采 用 四面体 和六面体对工件进行划 分网格 ，图 １ 为工件 网格划分后 的效果 图。用两种网格划分方式划分 网格
１ ． 材 料 属 性 的 定 义 ２
图 １ 工 件 划 分 网 格 效 果 图
表 ２ 模 型的节点 总数及单元总数
本研究 中， 工件 的的材料是 ６ ０ 合金 ， Ａ ２铝 其化 学成分为
收 稿 日期 ： ０ ９ １ — ８ ２ ０ — ０ １
基 金项 目 ： 西 自然 科 学 基金 应 用 基 础 资助 项 目（ 科 基 ０ ３ ０ ３ ； 西 制 造 系统 与先 进 制造 技 术 重 点实 验 室 主任 基 金 项 目（ 科 能 广 桂 ８２ １ ） 广 桂
熔点 （ ℃） ５３６２ ９—５
数学 的方法求导热微分方程 的解 析解 ，数值模 拟是解决这一 问题 的有效方法［ Ｎ Ｙ ３ １ 。Ａ Ｓ Ｓ软件是融结构 、 、 热 流体 、 电磁 、 声
学 多 种 物 理 场 于 一 体 的大 型通 用 有 限 元 分 析 软 件 。 具 有 功 能 强 大 、 作 简 单 等 特 点［ 操 ４ １ 。
０ ０ ０ ８ ０ ６ Ｚ； ８ ２ ０ ０１ ７１ ９ ０ １ ０ ４ ０ ６ ７
＿ ＿ — 一
Ｚ。 ）
作者简介 ： 荣 （９ ５ ）女 ， 王 １６ 一 ， 黑龙江佳木斯人 ， 教授 ， 桂林 电子科技 大学 机电工程学 院副院 长， 究方向 ： 研 固体力学 、 电子束 铝合金表面改性 和 仿真； 孙培新（ ９ ６ ）男 ， １８ 一 ， 广东揭阳人 ， 硕士研究生 ， 究方 向： 研 扫描 电子束铝 合金表面改性 ； 魏德强 （９ ３ ） 男 ， １６ 一 ， 黑龙江佳 木斯人 ， 副教授 ， 桂林 电子科技 大学建 筑环境 与设备 工程教研 室主任 ， 究方 向 ： 研 新材料新工艺 。
后 的单 元 数 和 节 点 数 如 表 ２ 示 。 所
１ 有 限元模型 的建 立
由于在 电子束 照射 下材料 表 面的 改性过程 是非 常 复杂
的， 很难 使 用 实 验 的方 法 对 其 进 行 分 析 ， 而 需 要 使 用 有 限 元 故 分 析 对 其 过 程 进 行 仿 真 ， 得 到 温 度 分 布 、 度 梯 度 和 冷 却 速 以 温
表 １ ６０ Ａ ２热 学 参 数
种（ 离子束 、 激光束 ） 能量束相 比 ， 电子束具有 能量利用率 高 ，
可 操 作性 强 等 特 点 ， 一 种 节 能 型 的 表 面 改性 手 段 是 。 由于 电 子 束 材 料 改 性 过 程 中 的温 度 场 ， 时 间 、 间 上 均 在 空 呈 现 非 线 性 变 化 ， 时材 料 的 热 物 理 性 能 随 温 度 变 化 ， 难 用 同 很
（ 量 分 数 ， ：ｉ ． １ ）Ｃ （． ０６， （． ￣ ． ） Ｚ （ 质 ％）Ｓ（ ５ ． ， ｕＯ２ ． Ｍｇ １ ０３ ， ｎ ≤ ０～ ２ ～ ） Ｏ ５ ５ ０２， ｎ０１￣ ． ）Ｔ（ ．５，ｒ００ － ． ）Ｆ ０ ０ ０５， １ ． Ｍ （．５ ０３ ，ｉ≤０１）Ｃ （． ０３ ，ｅ（． ￣ ． Ａ ） ５ ４ ５ ０ ） Ｃ ） 余量 。热 物 性 参 数 如 表 １ 。