利用整形激光處理45號(hào)鋼的仿真模擬與組織性能研究.pdf

1、激光自上世紀(jì)60年代問(wèn)世以來(lái)，因其自身特有的極大的應(yīng)用價(jià)值，得到了各個(gè)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(wú)氧化、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、紡織機(jī)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(guò)高，導(dǎo)致加熱過(guò)程中光斑中心部位出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象，所以激光相變硬化過(guò)程中，

2、很難通過(guò)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(lái)彌補(bǔ)單道掃描過(guò)程中產(chǎn)生的不足，然而，多道掃描的搭接過(guò)程中，激光邊緣能量會(huì)對(duì)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(dòng)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(guò)程中邊緣加熱能力不足的缺點(diǎn)，成為激光相變硬化工藝在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用時(shí)，必須面對(duì)并解決的問(wèn)題。
　　本文首先根據(jù)激光相變硬化的機(jī)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(guò)程中組織奧氏體化的差異，建立起三維動(dòng)態(tài)激光相變硬化過(guò)程的數(shù)學(xué)模型;利用COMSOL Multiphysics多物理場(chǎng)耦合仿真模擬軟件對(duì)所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算求解，在所建立起的激光相變模型中，通過(guò)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(guò)程中溫度場(chǎng)的變化規(guī)律;隨后利用瞬時(shí)態(tài)溫度場(chǎng)的分布情況，求解出激光相變硬化過(guò)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(duì)不同參數(shù)下，硬化區(qū)尺寸的變化規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)
　　同時(shí)，利用Danial Wellburn博士自制的激光整形器，對(duì)傳統(tǒng)激光的能量分布進(jìn)行了調(diào)整。選取退火態(tài)45號(hào)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(duì)基體組織進(jìn)行表面硬化處理，利用金相顯微鏡對(duì)硬化區(qū)的幾何形貌變化進(jìn)行觀察;利用掃描電子顯微鏡對(duì)硬化區(qū)組織進(jìn)行觀察;利用維氏顯微硬度計(jì)測(cè)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