收藏本站
《昆明理工大学》 2004年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

The Experimental and Theoretical Investigations of Laser Hardening Treatment Temperature Field

马琨  
【摘要】: 20世纪70年代强激光出现后,激光对材料表面改性的处理在工业生产中便开始获得应用。经过几十年的发展,除材料表面改性处理外,激光切割、焊接、快速成型等技术已经工业生产中获得广泛应用。在这些激光技术中,非熔凝的材料表面改性处理是一项相对容易控制的技术。然而,激光与物质的相互作用是一个十分复杂的过程,通过简单统计可以发现,即使是最简单的相变硬化处理,其热处理结果也涉及众多的物理参数:其一是材料的热物性参数,如热传导系数,比热、相变潜热;其二是光束参数,如激光波长、功率密度分布及偏振状态;其三是激光与材料的作用方式,如不同频率及不同脉冲宽度的脉冲辐照或不同形式的扫描处理;其四是激光与材料相互作用参数:如材料表面吸收层对给定波长及给振态光束能量的吸收系数、由激光作用部位、被处理工件形状及材料热物理性质确定的热传导条件等。在通常情况下,上述许多参数不但是温度的函数,而且对于一个给定的热处理工件及实际工作环境,事实上很难准确获得这些参数。即使是这些参数能够获得,准确描述实际工件热传导方程的定解条件也是一件十分复杂的问题。因此,迄今为止,一个优化的激光加工或热处理工艺基本上是通过总结实验规律来完成。这种状况,是这项技术进一步推广应用的重要障碍。 对激光热处理工艺过程的控制,本质上是对被处理材料所经历的热作用过程的控制。长期以来,国内外研究人员从未间断地对激光热处理的优化控制进行研究。现在,在激光对材料热作用研究中,按照傅里叶定律导出的连续介质热传导方程对激光热作用温度场求解,仍然是人们采用的基本理论。然而,由于激光对材料表面改性处理问题非常复杂,原则上,一个能够真实反映热作用结果的较严格的温度场计算只能通过有限元、有限差分等纯数值计算方法来完成。纯数值计算结果对于深刻地揭示激光与物质相互作用的规律无疑是非常重要的,但计算时间的冗长及计算成本较难为实际应用服务。 为简化研究,在求解热传导方程时,人们通常把激光假设为理想的基横模高斯光束或者是一些便于分析的光束形式,将激光照射对象视为热物性参数为常量的半无限大体,从而导出一些便于计算的表达式.但是,由于简化研究做了许多与实际情况相距深远地假设,研究结果基本不能直接为实际应用服务。研究能够为实际应用提供帮助的快速可靠的方法仍然是研究人员的重要课题。 近20年来,昆明理工大学与法国几所著名在大学在该研究领域开展了十分有成效的合作。在合作研究中,双方从无限大连续介质空间热传导方程的解析解出发,严格考虑实际激光的功率密度分布及实际工件形状,形成了能够满足实际应用精度要求的一整套半解析计算方法。特别是将快速傅里叶变换技术用于传导方程解析解的计算后,显著提高了激光热作用温度场的求解过程。这些研究成果对于解决实际问题的优点正受到国内外研究人员的关注。本文将扼要地总结激光热作用半解析计算取得的主要成果,给出利用半解析计算方法解决实际问题的实例,并与同等精度的纯数值计算进行比较研究。 在形成本论文的研究工作期间,我利用法国科索激光研究中心的实验条件及昆明理工大学的激光设备进行了大量的热处理实验,同时,应用快速计算方法、半解析计算方法及有限元程序Fastflo对激光热处理温度场的进行了平行的数值模拟研究。为确保一些重要计算参数的可靠性,用法国科索激光研究中心开发的热量计对表面吸收系数进行实际测量,同时提出了一种材料表面吸收系数的实验预测方法,并利用经过严格定标的热敏纸对昆明理工大学实验研究中的强激光功率密度分布进行了测量。在使用不同方法对温度场的计算研究中,为让研究工作能够接近复杂的实际光束分布情况,我们利用标量衍射理论较准确地计算了经过积分镜变换后的光束分布,利用任意分布光束热作用的半解析计算公式有效地计算了带有复杂的干涉及衍射结构的光束作用下的温度场。 比较研究表明,对于非熔凝激光热处理问题,温度场的快速计算及半解析计算方法不但能够获得与实验测量足够吻合的结果,而且具有很高的效率。例如,我们在同一微机上用几种不同的方法对一实际相变硬化问题作过计算比较(见第五章),有限元方法计算时间约24小时,快速计算方法只要54秒。对于给定的热处理问题,由于只计算相变硬化带的表面宽度及中央深度通常已经能够预计热处理结果,使用半解析计算公式的计算时间在一分钟以内,即使要完成整个相变硬化带的计算,半解析计算也只要12分钟左右。相较于温度场的纯数值计算,快速计算及半解析计算对于解决激光热处理实际问题的优势是非常明显的。 然而,由于激光与物质相互作用十分复杂,在获得热传导方程解析解的过程中,目前还必须将材料的主要热物性参数视为与温度无关的常数,因此,热传导方程的解析解或半解析解还仅能对非熔凝的激光热作用作近似表述,对于经历熔凝过程的激光热作用,由于涉及到热作用区域复杂的传热及传质过程,尽管已经在形式上建立了相应的数学模型,现阶段有还不可能获得解析结果。因此,通过有限元、边界元或有限差分等方法按照激光热处理应该遵循的定解条件对数学模型求数值解,仍然是对激光与物质相互作用深入研究的必不可少的手段。应该指出,使用准确的数学模型并且拥有对数学模型求解的所有的参数后,对在连续时间及空间中发生的实际问题进行合理的离散,使用纯数值计算方法便能够十分准确地跟踪激光热处理的冶金物理过程,这对于深入揭示激光与物质相互作用的客观规律是十分重要的。并且,随着计算机技术的进步,一些较成熟的有限元计算软件为用户提供了十分方便的界面,为激光与物质相互作用的深入研究提供了方便。 因此,热作用数学模型的解析解与数值解互为补充,在激光与物质相互作用的应用研究中,应该根据实际需要采用不同热作用计算方法。但是,从理论上而言,根据实际物理问题建立正确的数学模型,获得准确的解析解无疑是对实际问题的高效率的表述,我们还将在该研究方向继续进行探索。
【学位授予单位】:

知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 张庆茂,刘文今,杨森,钟敏霖;送粉式激光熔覆激光热有效利用率的检测方法及其影响因素[J];应用激光;2001年05期
2 杭世聪;周兴中;王佛性;熊腊森;段军;;千瓦级组合式CO_2激光热加工机[J];电焊机;1987年03期
3 王维雄;;国外激光热加工现状与发展趋势[J];激光与光电子学进展;1988年08期
4 孙俊勇;马晶;姜铃珍;洪晶;;全息无损检测焊点缺陷中的激光热加载最佳值[J];激光与红外;1988年12期
5 赵国兴 ,李敏谦 ,于文倩 ,孙孟嘉;用CO_2激光合成甲胺的实验研究[J];山西大学学报(自然科学版);1989年04期
6 王昊,刘喜明,王耀民;激光热加工与有限元分析[J];吉林工学院学报(自然科学版);2002年03期
7 郭奇志,孙孟嘉;化合型反应体系中激光热引发的化学相变[J];山西大学学报(自然科学版);1990年03期
8 ;用核物理学方法测量激光热核靶中压缩部分的密度的可能性[J];激光与光电子学进展;1975年11期
9 李豪;耿永友;吴谊群;;无机激光热刻蚀材料的研究进展[J];激光与光电子学进展;2011年01期
10 ;激光热加速了遮光模的制作[J];仪器仪表通讯;1971年03期
11 ;具有高能量增益系数的激光热核靶[J];激光与光电子学进展;1976年12期
12 ;日本激光热核技术新突破[J];东北电力技术;2002年11期
13 于文倩 ,李敏谦 ,冯小鹏 ,孙孟嘉;激光热化学法合成乙胺[J];山西大学学报(自然科学版);1987年03期
14 陶应学,关吉利,沈隆钧,刘成海;激光热烧蚀问题体能源体汽化模型的数值方法[J];计算物理;1992年S1期
15 候成刚,赵明涛,张广明,王祥林,王裕文;激光热加载红外热象检测的研究[J];无损检测;1995年08期
16 刘延辉;李军;于治水;王慧萍;;光纤激光热加工的特点与应用现状[J];上海工程技术大学学报;2012年03期
17 廖晓星,张世华,盖保康,郑道声;激光热消蚀后动脉平滑肌细胞的过度增殖[J];中国介入心脏病学杂志;1995年01期
18 伊鹏;许鹏云;殷克平;李成凯;刘衍聪;;灰铸铁表面激光热修复过程建模及热响应分析[J];中国激光;2013年03期
19 胡冬青;;用于IGBT薄片技术的激光热退火深度熔化激活[J];电力电子;2011年03期
20 陶应学;沈隆钧;关吉利;刘成海;;激光热烧蚀问题的数值模拟与相变界面的跟踪计算方法[J];计算物理;1996年01期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 谭建松;庞铭;王建平;吴波;虞钢;;活塞激光热负荷试验技术[A];2009年先进光学技术及其应用研讨会论文集(上册)[C];2009年
2 张永康;孔德军;冯爱新;鲁金忠;周建忠;任旭东;;基于激光热应力效应光力制造理论与实验研究[A];中国光学学会2006年学术大会论文摘要集[C];2006年
3 陈发良;关吉利;李有宽;;光学部件激光热耦合效率及激光热畸变[A];中国工程物理研究院科技年报(2001)[C];2001年
4 李少霞;朱天辉;何秀丽;郑彩云;宁伟健;虞钢;;燃烧室部件火力面的激光热疲劳实验研究[A];中国力学大会-2015论文摘要集[C];2015年
5 徐娙梅;郑飞跃;高文斌;;激光表面熔覆技术最佳参数实验研究[A];数学·力学·物理学·高新技术研究进展——2006(11)卷——中国数学力学物理学高新技术交叉研究会第11届学术研讨会论文集[C];2006年
6 陈发良;胡鹏;;两种反射膜系激光热力损伤特性计算分析[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集(下)[C];2005年
7 邱龙会;魏芸;师韬;傅依备;唐永建;郑永铭;陆晓明;高党忠;袁玉萍;;激光热核聚变靶丸高纵横比空心玻璃微球的研制[A];中国工程物理研究院科技年报(1999)[C];1999年
8 邓常猛;耿永友;吴谊群;;GeSbTe相变薄膜的激光热刻蚀性质研究[A];中国光学学会2011年学术大会摘要集[C];2011年
9 陈彦北;陆建;倪晓武;毕娟;张喜和;;激光加热金属数值研究中吸收率模型的影响[A];2007年先进激光技术发展与应用研讨会论文集[C];2007年
10 李豪;耿永友;吴谊群;;AgInSbTe相变薄膜的激光热刻蚀特性[A];中国光学学会2010年光学大会论文集[C];2010年
中国重要报纸全文数据库 前3条
1 记者 何德功;探寻太阳般的能量释放[N];新华每日电讯;2002年
2 董锐;粤铭激光热销亚洲市场[N];中国服饰报;2005年
3 德功;日激光热核技术取得新突破[N];北京科技报;2002年
中国博士学位论文全文数据库 前3条
1 马琨;[D];昆明理工大学;2004年
2 王纪俊;激光热弹超声体力源和对应波形的数值研究[D];南京理工大学;2008年
3 伊鹏;灰铸铁装备表面激光热修复关键技术研究[D];中国石油大学(华东);2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前4条
1 鲁先法;金属板材变形的激光热矫正工艺研究[D];中国石油大学(华东);2014年
2 丁一珊;基于激光热弹的机械构件缺陷检测方法研究[D];浙江大学;2014年
3 孙桂东;金属板材复杂变形曲面热矫正工艺研究[D];中国石油大学(华东);2015年
4 李粤;激光热应力法评估薄膜蠕变性能的研究和有限元模拟[D];江苏大学;2008年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978