激光表面淬火瞬態(tài)溫度場的有限元模擬及硬化層深預(yù)測.pdf

1、激光表面淬火是一個(gè)多參數(shù)綜合的工藝過程，人們難以用實(shí)驗(yàn)的方法直接測量其瞬時(shí)溫度分布，也就導(dǎo)致了很難對(duì)影響相變硬化層深的諸因素作出定量的分析。隨著近代計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，可望借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)影響相變硬化層深的諸因素作出定量的分析。本文結(jié)合先進(jìn)的大型有限元分析軟件ANSYS，對(duì)激光表面淬火的溫度場進(jìn)行有限元模擬，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)此展開一系列研究。 根據(jù)物理原型的激光表面淬火的熱傳導(dǎo)微分方程，基于ANSYS環(huán)境下，建立三維的有限元

2、模型，考慮與實(shí)際接近的加載條件，并對(duì)整個(gè)激光掃描中溫度場瞬態(tài)變化過程進(jìn)行了模擬。激光淬火過程中，除進(jìn)出端外，橫截面的硬化層分布幾乎一致。僅考慮硬化層分布而言，即針對(duì)研究相變硬化層深，又建立了運(yùn)算量減少而精度大大提高的激光表面淬火的二維模型。 激光淬火硬化層深是衡量效果好壞的主要指標(biāo)，該指標(biāo)與激光功率P、光斑尺寸、掃描速度v等有關(guān)工藝參數(shù)有關(guān)，還與材料對(duì)激光束能量的吸收率有關(guān)。本文定義材料吸收激光能量與激光束能量的比值為激光能量轉(zhuǎn)

3、換系數(shù)η，η的影響因素包括了光束穿過光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)能量損失、因?qū)α骱洼椛鋼Q熱引起的能量損失、預(yù)處理過材料表面吸收系數(shù)隨溫度的變化。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)相結(jié)合，深入研究能量轉(zhuǎn)換系數(shù)η與工藝參數(shù)P、v的變化規(guī)律，建立了能預(yù)測硬化層深的數(shù)學(xué)模型，并再次用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證其具有極高的精確性。通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)和模擬驗(yàn)證，對(duì)于將預(yù)測的相變硬化層深誤差率控制在5％以下，經(jīng)證實(shí)是可以達(dá)到。本文是基于ANSYS的激光表面淬火過程中能量轉(zhuǎn)換系數(shù)的分析，并且只針對(duì)45

4、[＃]鋼和材料表面狀況完全相同的情況，因此，對(duì)于不同材料和不同表面預(yù)處理的情況，文中結(jié)論則沒有通用性。本文主要提供的是一種新的研究思路，結(jié)合先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)，為研究精確控制工藝參數(shù)和相變硬化層深提供依據(jù)。目前為止，對(duì)于精確預(yù)測相變硬化的深度基本上是一種設(shè)想。本文就是從這個(gè)角度出發(fā)，力求提供一種能精確預(yù)測層深的研究思路，這也是本文研究的意義所在。 此外，對(duì)激光表面淬火后硬化層的均勻性方面做了一些分析。激光表面淬火后的相變硬化層不均勻