激光热处理是以高能量密度的激光束快速扫描工件，使得扫描的金属和合金表面温度以极快速度升到高于相变点而低于熔化温度，从而达到相变硬化的目的[1]。采用激光全反射聚焦系统来实现激光热处理，可使结构件硬度、光洁度等表面性能大大提高，使用寿命大大延长[2]。但是同时激光的高能量也容易造成表面的局部融化，这不仅没有提高结构件的表面质量，而且可能造成结构件的损坏。
对热处理的工艺设计，传统的方法主要是依据设计人员的工作经验和反复的工艺试验来确定合理的工艺方案，此方法不仅成本浪费过大，造成资源的不合理利用，而且试制周期长、反复试模的过程费时费力、产品的工艺稳定性无法保证等[3-4]，传统的工艺设计方法已经远远不能跟上制造行业的快速发展和要求。而计算机模拟仿真的快速发展为工艺的优化设计提供了良好的基础，数值仿真软件的开发和成功应用可以使得通过模拟技术来确定热处理工艺。1模型描述及建立
结构钢表面通过一束激光绕着圆轨迹加热，其中结构钢板在工作台上自转。将激光入射热通量作为在结构钢表面分布的热源来处理，得到了结构钢的瞬态热响应，即热处理过程中结构钢板温度的峰值、平均值和最小值，以及结构钢板中的温度分布。图1为结构钢板激光热处理示意图。
在激光热处理结构钢片模型中，为了简化模型并减少计算成本，将结构钢板作做圆缩小处理，其面积降低为实际面积的1/10左右：半径为250mm，厚度为3.2mm，以此建立激光热处理结构钢板几何模型，使用三角形扫掠网格划分结构钢板。在厚度方向上的扫略网格占2个单元，这样生产比较合理的网格大小。细网格能够更加准确地预测激光加热钢板的峰值温度，但预测平均温度和最低温度不会受到网格划分很大的影响[5]。网格化后成为有754个单元(如图2所示)的激光热处理结构钢板有限元模型。
激光光束半径等于高斯脉冲的三倍标准差，这里
结构钢表面激光热处理仿真分析
王亮
(东南大学机械工程学院,江苏南京211189)
摘要：采用高斯脉冲函数建立激光脉冲热源，应用传热学原理、控制方程理论、有限元技术建立结构钢表面激光热处理工艺模型，将激光入射热通量作为在结构钢表面分布的热源来处理，得到了结构钢的瞬态热响应，以判断其热处理温度是否达到相变点温度而低于熔点，从而实现结构件表面的相变硬化，依此对激光热处理工艺进行优化。该模型还可以探讨其他形式的热源对结构钢件热处理温度的影响。
关键词：结构钢；激光热处理；有限元技术；仿真分析
中图分类号：TG156.9文献标识码：A文章编号：1001-3814(2014)12-0177-04
Simulation Analysis on Laser Heat Treatment of Structural Steel Surface
WANG Liang
(School of Mechanical Engineering,Southeast University,Nanjing211189,China)
Abstract：Laser pulses heat source was built using Gaussian pulse function,the models of laser heat treatment process on structural steel surface were built by applying heat transfer theory,control equation theory and finite element technique.The laser incident heat flux distribution was dealt with a structural steel surface heat source,thus the transient thermal response of structural steel was obtained,According to the heat treatment temperature,it is judged whether the temperature of the phase transition point is lower than the melting point of the structure to achieve transformation hardening,and thus the laser heat treatment process is optimized.The model can explore the effects of other forms of heat sources on treatment temperature of the structural steel.
Key words：structural steel;laser heat treatment;finite element technique;simulation analysis
收稿日期:2013-09-04
作者简介:王亮(1978-),男,江苏南京人,工程师,硕士,研究方向为机电
一体化;电话:138********;E-mail:wangl16888@https://www.doczj.com/doc/e618352976.html,
177
10W 激光
12r/min
图1结构钢板激光热处理示意图
Fig.1Schematic diagram of heat treated structural steel slice
by means of laser
的三倍标准差的能量大约占激光总能量的99.7%。表1列举了一系列激光热处理结构工艺参数。
激光热处理结构钢板的热传导控制方程如下所示：
ρc p 坠T +ρc p u ·塄T=塄·(κ塄T )+Q
(1)
式中：ρ、c p 和κ分别表示结构钢的密度、比热容和导热系数；u 表示热处理工件的运动速度；Q 表示激光热源。
-n ·(κ塄T )=e laser ·q 0
(2)
式中：e kaser 表示激光的吸收率；q 0表示入射激光的分
布能力。其入射激光热源以表面热通量的形式施加到结构钢板上，
以高斯面热源模拟激光光束能量，本文采用内置的高斯脉冲函数定义激光热源能量，这样根据高斯脉冲的能量曲线(图3为高斯脉冲的三倍标准差形式)积分得到如图4所示的入射激光能量分布。给结构钢板整体施加一个体旋转速度定义其旋转运动，在传热控制方程中通过u 对钢板运动进行定义。
钢板顶面与热处理室之间主要通过热辐射进行热交换，其顶面的热辐射系数为0.8，假定其他面与周围环境是热绝缘的，周围环境温度设定为293K ，其热绝缘控制方程为：
-n ·(κ塄T )=0
(3)
在本研究中激光焦点是来回移动的，这里通过三角波形来定义沿x 轴移动并随时间变化激光焦点的位置。在激光的工作波长范围内，假定激光的吸收率等于辐射率，激光有效能力的热源能量输入需要乘以吸收率[6]。由于激光入射到不投光的结构钢板上，没有光透过结构钢片，因此，激光热能储存在结构钢板表面上。
2结果分析与讨论
图5记录了激光热处理过程中结构钢板温度的
20-20
20
-20-20
-2020
0×10-3×10-3
000×10-3
×10-3
×10-5
2020×10-5
z z
x y
x y 20
图2激光热处理结构钢板有限元模型
Fig.2Finite element model of heat treated structural steel
sheet by means of laser
(a)结构钢板几何模型
(b)结构钢板有限元网格
表1激光热处理结构工艺参数
Tab.1Process parameters of heat treatment structural
steel sheet by means of laser
工艺参数激光功率/W 激光光斑半径/mm 激光往回运动周期/s 钢片旋转速度/(r/min)激光效率值
10 2.8101500.74
-0.0025-0.0015-0.00050.005
0.00150.0025
45040035030025020015010050
图3高斯脉冲的三倍标准差形式
Fig.3Three standard deviations of the Gaussian pulse
4020
20
-20
-20
20
00×10-4
×10-4
×10-4
2.1904×106
×106
2.01.8
1.61.41.21.00.8
0.60.40.2270.57
图4入射激光能量分布
Fig.4Energy distribution of incident laser
hf(x ，y ，2.5)/(W ·m -2)
178
峰值、平均值和最小值。可见，在激光加热过程中其峰值温度变化较为剧烈，其峰值温度的波动曲线成三角波形传递，这主要是由于所施加的高斯脉冲能量形式类似于三角波形。而图6则反映了激光热处理过程中钢板最小温度与最大温度的差值。可以看出，温度呈现出一条局部具有显著的温度变化形式的曲线，当激光聚焦在结构钢板的外部时，激光入射相同量的热量可以有一个更大扫掠面积。这个模型一个值得深入研究的内容就是探讨其他形式的热源，以获得更加平滑的热处理温度曲线[7]。
图7是在不同热处理时间下结构钢板的温度分布云图。在激光加热第10s 时，只有其钢板边缘处温度上升得迅速，最大温度出现在激光入射处；加热
20s 时，即第一个周期结束时，激光光源沿着工作台
径向移动，同时结构钢板自身旋转运动，其整体温度不仅明显提高，而且激光热处理的面积基本接近整版的面积。在第40s 时，即第二个周期结束时，钢板高温区温度和面积普遍增大；再经过10s ，温度差别更加显著。图8是在不同热处理时间下结构钢板的等温线分布。可知，在激光热源前方等温线密，后方等温线较为稀疏，在钢板中央位置的等温线呈近圆形分布，并且随激光光源的移动，其激光位置处的热影响区的温度梯度也变小，表明该热处理方式可以加强钢板的热处理效果。
3结论
(1)温度呈现出一条局部具有显著的温度变化
形式的曲线，当激光聚焦在结构钢板的外部时，激光入射相同量的热量可以有一个更大扫掠面积。这个
5805405004604203803403000
10
20
30405060
时间/s
温度/K
图5激光热处理结构钢板过程中钢板温度的峰值、
平均值和最小值
Fig.5Maximum,minimum and average temperatures in the
process of laser heat treatment of steel plate
14012010080604020
0102030405060
温度差
温度差/K
时间/s
图6激光热处理过程中钢板最小温度与最大温度的差值
Fig.6Difference between maximum and minimum
temperatures on the structural steel sheet
327.22325320315310305
300295291.97y x
-20
-20
-20
-20
20
20
20
20
-2020
×10-330-2020
×10
-330-20
20
×10
-330-2020
×10
-330338.11335
330325320315310305300297.15y x
最高温度
最低温度
平均
温度
400395390385380375370365403.63360.01y x
490485480475470465460455450490.83449.93y x (c)t=40s
(d)t=50s
(a)t=10s
(b)t=20s
图7在不同热处理时间下结构钢板的温度分布云图(K)
Fig.7Temperature distribution of structural steel sheet at different time of heat treatment (K)
-20
200×10-3
-20
20
0×10-3
317.37
317.37314.7312.03309.35306.68304301.33298.66295.98293.31293.31y x
z 335.06335.06331.28327.49323.71319.92316.14312.35308.57301301y x
z 466.19
466.19462.23458.27454.31450.35446.39442.43438.47434.51430.55430.55y
x
z
488.62488.62484.69480.76476.82472.89468.96465.02461.09457.16453.23453.23y x
z (c)t=40s
(d)t=50s
(a)t=10s
(b)t=20s
温度/K
温度/K 温度/K 温度/K
图8在不同热处理时间下结构钢板的等温线分布
Fig.8Isotherm distribution of structural steel sheet at different time of heat treatment
179
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模型一个值得深入研究的内容就是探讨其他形式的热源，以获得更加平滑的热处理温度曲线。
(2)激光热源前方等温线密，后方等温线较为稀疏，在钢板中央位置的等温线呈近圆形分布，并且随着激光光源的移动，其激光位置处的热影响区的温度梯度也变小，表明该热处理方式可以加强钢板的热处理效果。
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(上接第194页)组织，并随温度升高，絮状组织逐渐积聚粗化。铜锰合金热轧态、850℃淬火和炉冷后组织均为γ-Cu单相固溶体组织。经650℃淬火和炉冷处理后，形成γ相和α-Mn相两相混合组织。
(3)随淬火温度升高，铜锰合金的强度逐渐降低，伸长率显著升高。炉冷处理后，铜锰合金强度高，伸长率较低。采用700～850℃淬火处理时，锰铜合金具有优异的塑形成型性能。
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