激光热处理模拟

2 2 2 2 ( x v x ) v x ru ( y v y ) v y ru 4 2 2 4 r 4 AP r du r z T T0 3 / 2 exp 2 2 2 2 k r 0 1 u r u 1 u 5
用等温线可以近似模拟淬火区域
6
计算机模拟和实验验证
（a） 模拟
（b） 实验
7
半唯象理论的模型
• 1. 分析静止光束的热场解； • 2. 分析移动光束的热场解； • 3. 用线性化方法处理热场随深度 的变化； • 4. 半唯象理论的公式； • 5. 半唯象理论的应用及其推论。
8
分析静止光束的热场解
12
0
半唯象理论公式
em

3/ 2
8
v0 r v
3/8

r 2 kTm
2P A
3 / 8
em 1.25
3/ 8 5/ 8
r
v
3 / 8

r
2
2P
M Bv
e0
em Bv
3 / 8
Tm 3 / 8 Ts ' 1 e e v 1 m 0 T ' T s m
4 AP Ts arctan arctan 3/ 2 2 3/ 2 k r r k r 0 AP
0
Ts
AP k
3/ 2
r
0
0
0
AP Ts 1/ 2 2k r 3/8 AP Ts 1/ 2 9 4k r 0
表 1,5 面 处 理 厚 1 度
e mm
（ ）
60 0.2 30 16 0.4 7 4 0.6 (mm/s) 2.5 v -3/8 0.8
0
v
16
半唯象理论应用和推论 3
17
激光热处理结果 预测模型的思路总结
数值解析
传热边界 和初始条 件，格林 函数法， 物理冶金 假设条件
半唯象法
纯 解 析
数值计算 计算 公式 问题 的解
纯解 数值 方法 MDF
和 MEF
数学 公式 问题 的解
简化公式 简单实验 问题 的解
M
M
18
表面处理实例
19
结论
• 对激光热处理问题进行了深入分析后提 出了半唯象理论； • 用半唯象理论可以借助几个简单实验， 作出被处理钢材的热处理“相图”； • 用半唯象理论可以借助几个简单实验， 推出被处理钢材的平均热参数； • 结合其它模拟模型，可以预测激光热处 理结果。
冶金学模型
* 温度在400—800°C,有可能回火；
* 温度在AC1=800—AC3=900°C，快速冷却，钢材发生不完 全淬火；
* 温度在AC3=800—1200°C，快速冷却，钢材发生完全淬 火； * 温度在AC3=1200-1580°C，快速冷却，钢材发生完全淬 火，但是奥氏体长大；
* 温度大于1580 °C，表面融化。
20
金属激光强化
不熔化
熔化
汽化
合金化
熔覆
相变硬化
非晶化
晶粒细化
冲击硬化
1
钢材激光淬火优化方法研究—— 热学与冶金学预测模型的建立
2
激光钢材淬火优化模型
* 热学模型的建立 * 冶金物理学模型的建立
* 计算模拟和实验验证 * 进一步简化模型的可能性及方法
3
热学模型的建立条件
• 1. 研究的材料是尺寸足够大、可以看成是半 无限固体，该固体在激光作用下仍处于固态； • 2. 材料的热参数（吸收系数、吸收率A，导 热系数k和热扩散系数等）不随温度变化； • 3. 表面辐射和对流热传热引起的热损失可以 忽略（绝热边界）； • 4. 材料在固态相变时的相变潜热和激光能量 相比可以忽略。
半唯 象理 论的 数值 计算 验证
14
em(mm)
-2
M + 85 W/mm
半唯象理论应用和推论 1
2 P = 1050 W = 5.6 mm 2/s T m ° C r = 3.6 mm k = 0.032 W/mmK (M = 85 W/mm)
表 面 1.5 处 理 厚 度 1
e mm
Fra Baidu bibliotek
（ ） 0.5
60 0 0.2 30 16 0.4 7 4 0.6 2.5
v (mm/s)
v -3/815 0.8
半唯象理论应用和推论 2
2
= 5.6 mm 2/s T m ° C k = 0.032 W/mmK r = 3.6 mm (M = 85 W/mm)
分析静止光束的热场解
1/2 4 3/8 1/4
Log(Ts)
3
2
1 -4 -2 0 log( ) 2 4
10
6
分析移动光束的热场解
11
移动光束热场解的线性化
Ts Ts/2 em
Tsmax = 熔化温度 =1500° C Ac1 s/2=750 < Ac1 5 深度 z (mm) 10
13
3
P = 1050 W, =5.6 mm2/s C T m °
r + = 3.6 k
mm
= 0.032 w/mm K

( )
2
计算点
( ) 表面熔化 ( )
1
25 0 0,2
16
10 0,4
7
4 0,6
2,5
v
(mm/s)
0,8
v
-1
-3/8
e 0
4
高斯光束、无限大工件 热传导公式及其解
Qv 1 T 2 T k t T k qv q （表面） r n
AP 4 T T0 3 / 2 arctan 2 k r r
Q v(x', y',z', t')
2 2 ( y ' v y t ' ) AP ( x' v x t ' ) exp ( z ' ) 2 2 rx ry rx ry