接触热阻对薄板零件表面激光淬火温度场形成影响研究

激光淬火工艺具有节能环保、质量高的优点。研究薄板零件激光淬火时所形成的温度场对将激光淬火应用于薄板零件表面强化的实际工作中具有重要的作用。本文通过对45钢和铸铁HT250之间接触面的接触热阻进行实验测试,通过数据分析得出了相应的接触热阻经验关系式。利用Abaqus软件模拟薄板表面激光淬火,其中将实验所得的接触热阻经验关系式代入,得到了相应薄板表面淬火温度场。通过与不考虑接触热阻的零件表面淬火温度场仿真结果进行对比,得出了接触热阻对薄板零件表面激光淬火所形成的温度场的影响。研究成果可对薄板表面激光淬火工艺应用于实践提供指导。     

基于模糊控制的激光淬火控制算法研究

激光淬火是将激光光束照射到工件表面从而使温度上升以得到相应的相变组织的一个过程。激光淬火能够提高淬火区域抗磨损、抗疲劳以及抗腐蚀的机械性能。但是由于在激光淬火过程中影响激光表面淬火温度场形成的因素很多, 所以很难建立起相应的激光淬火温度场控制数学模型。本文在研究中利用先进的模糊控制技术, 设置相应的模糊控制规则表, 从而通过激光淬火实时的温度反馈, 实现对工件表面的激光淬火温度场进行可靠控制, 从而保证淬火质量。本文所涉及的激光淬火温度场模糊控制算法是以工件表面淬火温度偏差为输入, 以扫描速度为输出的单输入单输出的模糊控制, 具有实用性和可靠性。     

基于计算机模拟的激光淬火边缘效应分析研究

利用计算机模拟技术对激光淬火进行了温度场模拟,通过实验与模拟结果对比确定了激光淬火中表面经过磨削加工并喷涂了黑色快干漆的GCr15钢对激光光束能量的吸收率.通过利用不同工艺参数进行模拟,得到了在不同激光淬火工艺参数作用下的模拟淬火温度场,从而分析了进端、出端边缘效应对淬火温度场的影响.最后通过反复模拟试验,提出了利用合适的激光淬火工艺参数以及加速的方法实现淬火过程中瞬时最高淬火温度的均匀,进而保证激光淬火硬化层的均匀.     

激光熔覆Inconel718镍基合金温度场与应力场模拟

以Abaqus软件为平台,开发了用于模拟激光熔覆过程温度场和应力场的非线性有限元计算方法。根据激光熔覆过程的特点,通过开发Abaqus用户子程序建立了相应的移动热源模型。利用开发的计算方法,对激光单道单层熔覆、单道双层熔覆和单道十层熔覆过程的温度场和应力场进行了数值模拟。基于数值模拟结果,对激光熔覆的温度场特征和焊接应力的演化过程进行了探究。数值模拟得到的温度-应力演化过程结果将有助于理解激光熔覆过程中冶金缺陷(如热裂纹)的形成机理和提出相应的防止对策。     

U型环激光淬火的温度场与组织场仿真研究

U型环使用过程中因过度磨损而发生失效已成为断线、掉线事故的主要原因,激光淬火作为一种绿色强化技术可有效提高U型环耐磨性能。利用COMSOL Multiphysics建立U型环激光淬火的温度场与组织场仿真预测模型,以探究激光辐照时间对U型环淬火过程中温度场、淬火场的分布影响。所建立模型通过试验对比验证,仿真预测结果与试验结果拟合较好。仿真预测结果表明：U型环中心横、纵截面上温度场均呈月牙状分布并随辐照时间增长而向U型环内部扩散。U型环淬火后表层为细小的淬火马氏体组织,随深度增加,过渡区组织为淬火马氏体及少量铁素体组织。U型环最高温度及淬硬区底部深度、表面积与激光辐照时间呈正相关,当激光辐照时间为7 s时,最高温度达到1 434℃,底部深度达到3.12 mm,表面积达到817 mm²,覆盖U型环弯曲段92.21%的上表面面积,可有效提高U型环耐磨性能。5 000 W激光功率、24 mm×18 mm激光光斑尺寸工艺条件下,U型环激光淬火时间窗口为3～7 s。     

激光辅助机械修整金刚石砂轮的温度场分析

激光辅助机械修整金刚石砂轮是一种金刚石砂轮修整新方法，它利用激光束加热砂轮表面使得金刚石修整笔的修整材料模式从脆性断裂变为塑性流动，从而提高砂轮表面修整质量，降低金刚石笔的磨损。运用ANSYS软件建立了激光辅助机械修整过程中金刚石砂轮温度场的有限元模型，并用热成像仪NEC TH7IOOWX／WV测量了实际工况下的温度场。结果表明，在相同工况下运用仿真模型所得分析结果与实测值拟合得很好。利用所建立的金刚石砂轮温度场的计算机仿真系统可对砂轮修整过程进行前期预测、工艺参数调整及优化等，避免加热温度过高使砂轮表面金刚石颗粒石墨化，或加热温度不足使砂轮表面硬度下降不够等情况的发生，从而减少了直接进行修整实验带来的盲目性。     

铜纳米颗粒的飞秒激光连接过程研究

采用飞秒激光对铜离子前驱体薄膜进行激光直写,原位还原得到铜纳米颗粒并连接形成导电铜微结构。实验研究了激光功率对铜微结构物相成分、微观结构及导电性能的影响。进一步,利用COMSOL仿真软件模拟了飞秒激光辐照下铜纳米颗粒二聚体的电场分布及温度场分布特征,计算了不同功率单脉冲激光对铜纳米颗粒电子温度及晶格温度的影响。仿真结果表明,激光诱导表面等离激元效应可实现对纳米颗粒的局域加热。当激光功率为960 mW时,纳米颗粒热点区域的晶格温度最高为698 K,纳米颗粒出现表面熔化现象,可实现颗粒间的连接。随着入射激光功率的升高,晶格温度升高,颗粒间连接程度提高,与实验结果相一致。     

自由曲面五轴激光淬火工件姿态优化算法

激光淬火枪头相对于工件表面淬火区的倾角直接影响着淬火区域温度场的变化,进而影响淬火表面硬度均匀性.根据五轴激光淬火机床的结构特点,要求在淬火过程中工件表面瞬间淬火区域的法矢须垂直于XOY坐标平面以保证激光淬火质量.提出了利用瞬间淬火区域的四个边界点所组成的两个平面的法矢来确定工件的最佳姿态,并且给出了具体确定四个边界点的计算方法.建立了保证工件最佳姿态的数学模型,利用遗传算法求解出实现最佳位姿C轴A轴的位置角.最后通过对一个具体的三次B样条曲面进行实例计算,验证了该方法的可行性.     

基于振镜变速扫描的激光淬火光学系统

为了提高激光淬火硬化层形貌的均匀性,提出了一种基于振镜变速扫描的激光淬火光学系统。系统由QBH(quartz block head)、准直聚焦一体镜、单轴振镜和振镜变速扫描控制系统等组成。通过设定振镜扫描系统的变速区域宽度和变速系数,可实现能量中间低、两端高的“鞍形”光场分布。建立了重复变速扫描系统的等效热作用光场模型,并通过ANSYS软件模拟了45钢激光淬火过程中的温度场。重点分析了振镜扫描系统的变速系数和变速区域宽度对淬火后相变硬化层均匀性的影响。仿真结果表明,变速系数或变速区域的增大改善了硬化层的均匀性。采用千瓦级光纤激光器作为光源,进行了等变速区域不同变速系数的激光淬火实验。取硬化层深度降低至最大值90%的位置作为匀化区域的边界,变速系数为0.8时获得的硬化层的匀化区域宽度为5.1 mm,比振镜匀速扫描的匀化效果提升了约42%,实验结果与仿真结果吻合较好。     

单道激光熔覆温度场仿真及实验研究

为了研究单道激光熔覆薄板的温度场分布,采用仿真与实验对照的方法,利用ANSYS软件,通过高斯热源模型模拟激光光束能量,再采用非线性边界设定,对单道激光熔覆及冷却过程的温度场进行仿真;使用2kW光纤激光器将铁基(Fe60)粉末熔覆在2mm厚T9A钢板上,并用热成像仪测量多样点温度.结果表明,激光熔覆薄板温度场的仿真符合实...     

金属材料脉冲激光辐照瞬态温度场数值模拟研究

为了研究脉冲激光辐照金属材料时温度场的变化,采用有限元模拟软件对激光辐照材料的过程进行了模拟。得到了激光辐照过程中,材料表层及内部的瞬态温度场的变化情况。结果表明,在脉冲激光辐照金属材料过程中,激光热作用时间很短,热影响区仅限于激光光斑作用区域的材料表层。     

U74钢轨表面激光淬火工艺及其对耐磨性的影响

本文研究了U74钢轨表面激光淬火工艺及其对表面耐磨性能的影响。激光淬硬层分为表面过热区、均匀相变区和过渡区。淬硬层深度约为0.5-0.8mm，单道淬火宽度约4mm，表面硬度可达Hv850-Hv1000，淬硬层组织为高碳马氏体，细晶混合马氏体和少量奥氏体。激光淬火造成的组织细化和大量高碳马氏体的形成是硬度提高的主要原因。在扫描速度为6mm/秒，离焦量60mm的条件下，U74钢轨表面激光淬火的最佳功率约为1.8kW。在该功率下，可以获得最高硬度、最大硬化层深度和最佳能量利用系数。摩擦学试验表明，经过激光淬火，钢轨表面的耐磨性能有了明显提高。     

GCr15纺锭杆激光淬火工艺研究

本文通过对材料为GCr15的纺锭杆进行激光淬火工艺研究以提高纺锭杆的耐磨性。提出了用三点淬火法来对纺锭杆的前端进行激光淬火,这种方法改善了纺锭杆工作时的润滑条件。通过实验分析得出了GCr15材料最佳的激光淬火工艺参数,以保证纺锭杆前段能够达到最高的硬度。并针对较高淬火温度下,表面硬度下降现象进行了试样的金相分析,找出了产生这种现象的原因。     

激光淬火能量转换系数的ANSYS分析

基于有限元分析软件ANSYS对激光表面淬火温度场进行模拟,并结合实验的数据,建立了材料表面能量转换系数的变化规律的数学模型。通过再次实验验证表明,可用于预测激光表面淬火后的硬化层深并具有极高的精确性,为研究精确控制工艺参数和相变硬化层深提供新的研究思路。     

激光淬火基体对铬层表面形貌的影响

为了揭示激光淬火基体对电镀铬层表面形貌的影响,采用激光离散淬火基体的方法对镀铬层表面形貌进行了研究。铬层表面形成了与离散基体对应的、密实球状组织条带和疏散球状组织条带离散相间的周期性形貌;密实球状组织条带对应着原始基体区,而疏散球状组织条带则对应着激光淬火区。借助于高分辨率扫描电镜,利用化学腐蚀基体和粒子束刻蚀法分别对铬层界面和厚度方向组织形貌的进行了实验分析。结果表明,铬层表面形成了与其对应的周期性形貌,其机理是铬层界面周期形貌和铬层不同的生长方式,将激光离散基体特征传递给了铬层表面。     

基于体热源的激光透射焊接PA66温度场模拟

目前国内激光透射焊接温度场模拟大多采用面热源,无法考虑炭黑含量的影响。为此,文中使用Ansys的APDL语言构建了基于体热源的三维瞬态有限元模型,采用该模型对PA66的激光透射焊接温度场进行了模拟,并将模拟结果与面热源下的模拟结果、实验结果分别进行对比。结果发现,由体热源模型模拟得到的焊缝热影响区形貌与实际热影响区形貌较为接近,模型预测的热影响区尺寸也与实测值保持着较高的吻合度,表明体热源能较好地表征炭黑含量对焊接结果的影响,并在温度场模拟方面明显优于面热源。     

强激光诱导的应力波在靶板中衰减特性数值模拟

利用ABAQUS 数值模拟软件对脉宽为ns量级的强激光诱导的应力波在铜靶中传播特性进行了模拟研究。建立了适合于高压高应变率下一维平面应力波在铜靶中传播的有限元分析模型,模拟了两种不同激光冲击波峰值压力诱导的应力波在铜靶中衰减的特性。结果显示,峰值压力为0.35 GPa和3.5 GPa 下驱动的应力波在铜靶中的传播速度分别为4 600 m/s,4 000 m/s。峰值压力为3.5 GPa 冲击波在靶体内诱导的应力波出现了弹性波和塑性波的双波结构。应力波峰值的衰减规律呈指数形式衰减。模拟计算的结果与理论和实验结果较为一致。     

基于生死单元的激光铣削温度场数值模拟与验证

利用ANSYS 有限元模拟软件建立了激光铣削过程的三维瞬态有限元模型,并以Al2O3 陶瓷材料的激光铣削加工为例,利用ANSYS 中的单元生死技术对激光铣削过程中温度场的动态分布进行了模拟。选取其中的一组参数,详细分析了铣削件表面某一点温度场的变化规律,确定了沿样件不同的扫描路线上铣削层的宽度和深度,并提出了温度场模拟结果的间接验证方法,即将温度场模拟获得的铣削层宽度和深度与实验测得的数据进行对比,对比结果较吻合,说明建立的有限元模型能够进行激光铣削效果的预测。     

等效载荷法模拟激光超声微裂纹检测

基于等效载荷法,应用有限元软件Abaqus模拟了脉冲激光激发的超声表面波在预加裂纹的半无限大弹性薄板内的传播,并探讨了微裂纹的尺寸对超声信号的影响。将脉冲激光激励等效为作用在薄板表面的在时间和空间上均满足高斯分布的脉冲载荷,并通过引入修正系数建立了激光的物理参数与峰值载荷的定量关系。在实验验证了有限元模型和等效载荷法正确性的基础上,探讨了裂纹的宽度、深度对反射波和透射波声学特性的影响。结果表明,所建立的等效载荷法能有效地模拟激光超声检测裂纹的实验过程,对激光超声的数值模拟研究以及在裂纹检测方面的应用具有重要的意义。     

TC4激光立体成形中基材热影响区组织性能优化研究

激光立体成形技术是一项基于同步送粉激光熔覆的先进制造技术。激光立体成形和修复过程中沉积层、热影响区以及基体材料组织、性能的差异将对最终零件的性能,尤其是疲劳性能产生重要影响。为改善基体、热影响区(HAZ)的组织、性能差异,针对TC4合金,提出在激光沉积前对基材表面进行多次激光重熔扫描预处理,从而优化基材热影响区组织性能。基于此,通过研究不同工艺条件下,多次激光重熔处理对热影响区组织性能的影响。结果表明:首先,多次激光重熔将引起的基材热影响区总体冷却速率下降,从而有效的消除热影响区的急冷组织;其次,重熔处理产生的多次热循环对基材热影响区的时效处理对于热影响区的组织、性能(硬度)也有一定的影响。通过在多层沉积前对基材进行适当的激光多次重熔扫描处理有效改善了沉积区、热影响区以及基材性能的大幅波动,实现了均匀渐变。