利用整形激光處理45號鋼的仿真模擬與組織性能研究.pdf

1、激光自上世紀60年代問世以來，因其自身特有的極大的應(yīng)用價值，得到了各個領(lǐng)域的廣泛重視，在短短的幾十年里，激光表面處理技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，其中，激光相變硬化以其加熱速度快、淬火硬度高、工件變形小、淬火部位可控、不需淬火介質(zhì)、生產(chǎn)率高、無氧化、無污染等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于交通運輸、紡織機械、模具制造、精密儀器上。由于激光器所發(fā)射出的激光的能量密度多呈斯型分布，因其中心能量過高，導(dǎo)致加熱過程中光斑中心部位出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，所以激光相變硬化過程中，

2、很難通過單道掃描工藝使所加工表面完全硬化，工業(yè)中常常采用多道搭接工藝來彌補單道掃描過程中產(chǎn)生的不足，然而，多道掃描的搭接過程中，激光邊緣能量會對應(yīng)經(jīng)硬化的工作層產(chǎn)生回火作用，使加工后的工作面的性能出現(xiàn)波動性，因此改變激光傳統(tǒng)的能量分布形態(tài)，克服傳統(tǒng)高斯型能量分布的光斑掃描過程中邊緣加熱能力不足的缺點，成為激光相變硬化工藝在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用時，必須面對并解決的問題。
　　本文首先根據(jù)激光相變硬化的機理，綜合考慮了相變潛熱的存在，熱向系

3、數(shù)隨溫度的改變情況和快速加熱與靜態(tài)加熱過程中組織奧氏體化的差異，建立起三維動態(tài)激光相變硬化過程的數(shù)學(xué)模型;利用COMSOL Multiphysics多物理場耦合仿真模擬軟件對所建立的數(shù)學(xué)模型進行計算求解，在所建立起的激光相變模型中，通過改變激光光斑前端與后端、中心與邊緣能量密度分布，研究不同能量密度分布的光斑掃描過程中溫度場的變化規(guī)律;隨后利用瞬時態(tài)溫度場的分布情況，求解出激光相變硬化過程中不同能量密度分布的激光光斑所能產(chǎn)生的硬化區(qū)域的

4、尺寸;最后對不同參數(shù)下，硬化區(qū)尺寸的變化規(guī)律進行了總結(jié)
　　同時，利用Danial Wellburn博士自制的激光整形器，對傳統(tǒng)激光的能量分布進行了調(diào)整。選取退火態(tài)45號鋼為基體材料，利用整形后的光斑在不同的掃描功率，不同的掃描速度下，對基體組織進行表面硬化處理，利用金相顯微鏡對硬化區(qū)的幾何形貌變化進行觀察;利用掃描電子顯微鏡對硬化區(qū)組織進行觀察;利用維氏顯微硬度計測量出不用工藝參數(shù)下硬化層的最大深度，以及不同工藝參數(shù)下硬化層硬度