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《天津工业大学》 2004年
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激光转镜宽带扫描热过程研究

王云山  
【摘要】:材料表面激光加工是一个瞬态、非平衡、不均热过程,所形成的温度场及相应的温度梯度场对加工质量产生重要影响。目前国内外还没有在线监测激光加工热过程的手段,主要原因是加工过程中材料内部温度无法测量,因此通过建立数学物理模型,模拟分析是材料表面激光加工热过程研究的主要方法。 激光光束与材料的相互作用产生复杂的热交换是材料表面激光加工热过程的实质问题。其中激光光束模式和光斑形状以及光束对材料的作用方式是影响温度场的关键因素。光斑按形成方式可分为静态光束光斑和动态光束光斑,动态光束光斑是聚焦光束扫描叠加形成的光斑,其产生的温度场较静态光斑更复杂。在以往的研究中人们采用以与动态光斑具有相同的平均功率密度的静态光斑温度场表示动态光斑的温度场,忽略了动态光斑作用点处的高能密度和对光斑处每一点加热、冷却循环作用的过程的特殊性。激光转镜以扫描方式将激光束聚焦扫描成线状光斑。本文以激光转镜扫描光斑为例,提出了符合扫描光斑形成过程的数学物理模型,研究了参数与温度分布之间的相互关系,并用计算机模拟了不同参数下的温度曲线平均功率相同的静态光斑的温度场比较。在激光作用区内,激光转镜扫描光斑表层温度高于静态光斑,底层温度低于静态光斑,具有明显的“类趋肤效应”。 在充分讨论研究激光转镜光斑温度场及其特性的基础上,建立了激光转镜扫描宽带温度场数学模型,研究了参数与温度分布之间的关系。计算机模拟了不同参数下的温度曲线和三维空间的温度分布,模拟了激光转镜宽带热处理淬火带形貌。提出了用温度曲线计算奥氏体化加热时间、马氏体转变过程冷却速度的方法。提出了“温度波线行波法”,并推导出激光转镜扫描宽带温度场任意时刻点(x_0,y_0,z_0)处的温度和温度对时间变化率的数学表达式。 本文通过实验研究对上述部分理论结果进行了验证,取得了较为理想的结果。上述研究工作为具有扫描叠加过程特点的激光加工温度场精确建模和质量控制提供了理论基础。
【学位授予单位】:天津工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TG665

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1 王云山;激光转镜宽带扫描热过程研究[D];天津工业大学;2004年
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