激光熱處理溫度場及相變硬化帶的快速計(jì)算

1、 670 中國激光 2, 7 24 卷 個(gè)原則 , 利用上面討論的溫度場計(jì)算方法可以對相變硬化帶的尺寸進(jìn)行預(yù)測 。 具體來說, 由 于材料表層中沿掃描方向任一直線上的點(diǎn)均經(jīng)歷相同的熱循環(huán) , 只要在動(dòng)坐標(biāo)中求出材料表 面鄰近區(qū)域與掃描方向相垂直的各直線上溫度分布的極大值, 并在同一垂直于掃描方向的截 面上利用這些極大值作出等溫線 , 大于 A C 1 的區(qū)域便可確定為相變硬化區(qū)。 5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 利用以上對激光熱處理溫度場的快速計(jì)算方法及以 A C1 為界的相變模型 , 可以十分滿意 地快速預(yù)計(jì)相變硬化區(qū) , 相變硬化區(qū)尺寸的理論預(yù)測與實(shí)際結(jié)果間的相對誤差在 10% 左右。 由于 A C 1 可

2、以由實(shí)驗(yàn)確定 2, 9 , 對相變硬化帶邊界的實(shí)驗(yàn)測量可以對本文的理論研究進(jìn)行間接 驗(yàn)證。以下給出兩個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)例。 5. 1矩形激光斑進(jìn)行金屬材料表面淬火問題的理論模擬 在材料表面激光熱處理優(yōu)化控制的研究中, 我們曾經(jīng)研制了一種將激光光束變換為矩形 邊界, 且其強(qiáng)度分布為馬鞍形的矩形光斑疊像裝置 , 并利用這種裝置獲得了均勻的激光相 變硬化帶。 由于光的干涉及衍射作用 , 真實(shí)的疊加光斑具有較復(fù)雜的功率密度分布 2, 9 , 理論上 很難得到計(jì)算熱作用溫度場的簡單解析表達(dá)式。 為從理論上制定優(yōu)化的熱處理工藝, 我們曾利 用光束分布的幾何光學(xué)近似 , 對相變硬化帶作了理論模擬 6 。 現(xiàn)在 ,

3、 利用本文的研究結(jié)果, 可以 2, 8 直接利用與實(shí)驗(yàn)觀測吻合甚好的傅里葉光學(xué)分布 進(jìn)行熱作用的快速計(jì)算。圖 4 ( a , ( b 分 別給出裝置在某調(diào)節(jié)狀態(tài)下的傅里葉光學(xué)分布及幾何光學(xué)近似( 光斑尺寸為 9 ×6( mm , 功率 2100 W , 讓光斑對 XC55( 含碳量約 0. 55% 鋼材表面以速度 v = 10 m m/ s 沿平行于光斑寬度 2, 8 8 2 的 方向作掃描處理 , 根據(jù)相關(guān)的熱物性參數(shù) k = 0. 04 W/ ( mmK , = 10 mm / s, = 2, 8 圖 4 傅里葉光學(xué)確定的矩形光斑 ( a 與幾何光學(xué)確定的矩形光斑 ( b 的比較

4、 F ig . 4 Co mpar iso n betw een the pseudo r ecta ng le shaped ener gy repar tition obtained by the F our ier optics ( a and the o ne o bt ained by the geo metr ic optics ( b 圖 5 利用傅里葉光學(xué)分布計(jì)算的相變硬化帶 ( a 、 幾何光學(xué)分布計(jì)算的相變硬化帶 ( b 及對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 ( c 的比較 Fig. 5 Comparis on of t h e charact eris t ics of a h ardene

5、d zone obt ain ed experimen tall y ( c w it h t he t wo simul at ions usin g t he t heoret ical repart it ion ob tained w it h t he Fourier opt ics ( a an d w it h t he geom et ric opt ics ( b 7期 李俊昌 等 : 激光熱處理溫度場及相變硬化帶的快速計(jì)算 671 0. 7( 表面吸收系數(shù) , A C1 = 760, 我們分別利用這兩種光斑分布從理論上求得的相變硬化帶 分別示于圖 5 ( a , ( b ;

6、 而圖 5( c 給出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這個(gè)比較表明, 本文所提出的計(jì)算 方法可以十分滿意地對激光相變硬化帶進(jìn)行預(yù)測。 同時(shí), 我們看出 , 對于所研究的情況 , 光束的 衍射結(jié)構(gòu)對金屬材料表面的熱作用影響甚小, 文獻(xiàn) 7 利用幾何光學(xué)分布對熱作用進(jìn)行研究是 合理的。 5. 2實(shí)際激光束進(jìn)行金屬材料表面淬火的理論模擬 對實(shí)際大功率 CO2 紅外激光的研究表明 , 一束 實(shí)際光束的分布能夠較準(zhǔn)確地利用簡單函數(shù)描述的 情況并不常見。例如國產(chǎn) HJ-3 型 CO 2 激光設(shè)備的 輸出光束便呈復(fù)雜的高階模分布 3 , 圖 6 為在一臺(tái) 2 法國激光設(shè)備下利用激光功率檢測儀“ LBA ” 測得 的一束實(shí)

7、驗(yàn)激光束的功率密度分布。 顯然, 如果我們 將光束視為基模高斯分布或者圓形均勻分布來進(jìn)行 熱作用的計(jì)算 , 都將不可避免地引入較大的誤差。 按 照傳統(tǒng)的方法, 只有采用純數(shù)值計(jì)算才能直接使用 實(shí)驗(yàn)測出的激光功率密度分布數(shù)值。 現(xiàn)在, 利用本文 提出的方法 , 亦能滿意地對這種形式光斑作用下的 溫度場及激光相變硬化帶進(jìn)行快速模擬。 圖 7 ( a , ( b 分別給出利用圖 6 所示光斑進(jìn)行 圖 6 激 光分析儀“ L BA ” ( L aser Beam A na ly ser 測得的實(shí)驗(yàn)光束功率密度分布 Fig . 6 E nergy repar tit ion of t h e ex pe

8、riment al b eam obt ain ed by t h e LBA ( Laser Beam A nalys er device 激光熱處理后對相變硬化帶橫斷面的理論模擬及實(shí) 驗(yàn)測量的比較。該實(shí)驗(yàn)研究采用法國 XC 42 鋼材做成尺寸為 100× 50× 10 ( mm 的試件, 為增 加表面對激光能量的吸收, 試件在 525的鹽浴爐中浸泡 2 h, 使試件表面形成一層約 5 m 的 氧化膜 ( 這時(shí)表面吸收系數(shù)可以取 2 9 = 0. 7 。 與該研究有關(guān)的其余參數(shù)為 k = 0. 046 W/ ( mm K , = 9. 2 mm / s, A C 1 =

9、760, p 0 = 1840 W, v = 50 mm / s 以及光斑取樣窗口尺寸為 7. 6×7. 6 ( mm ( 見圖 6 。 圖 7 實(shí)際激光束淬火帶的理論模擬 ( a 與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果 ( b 的比較 F ig . 7 Compar ison o f the hardened zones obtained by a theo retical simulatio n ( a a nd by a n ex periment al measur e ( b 以上兩個(gè)理論與實(shí)驗(yàn)的比較表明, 本文所提出的方法可以足夠滿意地快速模擬激光熱處 理溫度場, 在激光熱處理的應(yīng)用研究中應(yīng)能發(fā)

10、揮積極作用。 與此同時(shí), 我們也發(fā)現(xiàn) , 利用直接來 自激光設(shè)備的光束進(jìn)行熱處理通常不能獲得厚度均勻的相變硬化帶, 為得到一個(gè)優(yōu)化的激光 熱處理結(jié)果, 應(yīng)對激光光束的功率密度分布進(jìn)行相應(yīng)的變換。 在激光表面淬火處理的研究中, 將材料視為熱物性參數(shù)為常量的半無限大均勻介質(zhì), 利用 672 中國激光 2, 57 24 卷 作用時(shí)間 t 為有限時(shí)熱傳導(dǎo)方程的解析解 , 我們已經(jīng)通過大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該解析解計(jì)算 瞬態(tài)溫度場 6 及預(yù)計(jì)激光熱處理結(jié)果的可行性 2, 57 。 本文 3. 1 對穩(wěn)態(tài)溫度場實(shí)際意義的討 論 , 事實(shí)上是利用數(shù)值分析方法證明 ( 2 式是激光與材料相互作用時(shí)間 t 趨于無窮大時(shí)

11、瞬態(tài)溫 度場解析解的極限表達(dá)式; 同時(shí) , 對利用 ( 2 式模擬作用時(shí)間有限的實(shí)際問題所可能引起的誤 差也作了分析。 因此 , 本文提出的快速計(jì)算( 2 式的方法事實(shí)上也可以視為對作用時(shí)間 t 為有 限時(shí)熱傳導(dǎo)方程解析解作快速近似計(jì)算的一種方法 , 其近似條件為對溫度場的研究局限于光 源鄰近區(qū)域以及光源作用時(shí)間足夠長 ( 見 3. 1 的討論 , 只要滿足這個(gè)近似條件, 本文所提出的 方法必然可以快速預(yù)計(jì)熱作用結(jié)果。 參 考 文 獻(xiàn) 1 M . L aurent. L aser s et Industr ies de T ra nsfo rmation( F R , ed. A. B. V

12、annes, P aris. T EC&DO C, 1986, 146 161 2 李俊昌 著 . 激光熱處理 優(yōu)化控制研究 . 北京冶金工 業(yè)出版社 , 1995, 12 3 李俊昌 , 李天嬰 . 大功率 CO2 激光功率密度分布的實(shí)時(shí)檢測 . 中國激光 , 1995, A22( 3 209 213 4 日 竹內(nèi)洋一郎 著 . 熱應(yīng)力 . 北京科學(xué)出版社 , 1977, 276 5 L i JunChang , Y ua n L ix ia. M athematical m et hod fo r optimizing the pr ocess o f heat tr eatmen

13、t with po wer ful laser . Chinese J ournal of Laser , 1992, B1 ( 3 277 6 J. L i, Q . Chen, J. M erlin. Cha mps de temp atur e d une surface ir radi e par un faisceau laser CO 2 op: t iquement module en bande gaullienne Etude th or ique et ex p r imentale. Revue G n r ale d e T her mique ( FR , 1994,

14、 4( 388 250 257 7 Li Junchang . C . R enar d , J. M er lin . Effets ther mique induits par des dispo sitifs optiques d unifor misat ion de faisceau laser . J ournal d e P hy sique I I I ( FR , 1993, 3 1497 1508 8 L i Junchang , M er lin J . , Renard C . . Etude theor ique et ex per imentales d un di

15、spo sitif optique de t ransfo r matio n de faisceau la ser en une tache r ect ang ulaire. J . Op tics ( FR , 1993, 24( 2 55 64 9 R ena rd C . , L i Junchang , M er lin J . . M odulat ion et contr ole des Car act eristiques de cor do ns tr empes mart ensit iquement durant une operat ion de tr aitemen

16、t laser. Revue d e M etallur gie ( FR , 1991, 6 341 Rapid Determination of the Temperature Field and of the Geometry of the Hardened Zone in the Heat Treatment by a Powerful Laser Beam L i Junchang Raphael Chevalier Jean-M arc L AN GE * E cole N at ionale Sup rieure des A rt s et M tiers ( E N SA M

17、* * ( R esearch of L aser , K unming Univer sity of Science and T echnol ogy , K unming 650093 Par is -75003 P A RI S France Abstract T he present w o rk pr opo ses a m et hod w hich can be used f or a r apid calculat ion o f t he t em perat ure field caused by a pow er ful laser during a superf icial heat treat ment . U sing t his resul t , we pr opo se a m et hod w hich can be used in o rder t o assess t he geomet ry of t he har dened zone .