基于激光脈沖對(duì)鋼材熱處理的計(jì)算探索

李偉鋒

摘要：本文主要分析受到激光脈沖的影響下，鋼材溫度場計(jì)算方式。基于對(duì)激光脈沖在熱作用方面的計(jì)算探討，結(jié)合試驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證計(jì)算方法的可用性。以供相關(guān)人士參考。

關(guān)鍵詞：激光脈沖;鋼材熱處理;計(jì)算

引言：運(yùn)用激光脈沖實(shí)現(xiàn)材料熱處理時(shí)，熱作用情況會(huì)直接影響到熱處理的效果?？紤]到激光和材料之間相互作用的復(fù)雜性，為能快速確定溫度場，把介質(zhì)熱物性參數(shù)看成常數(shù)，內(nèi)部視為均勻質(zhì)地，把激光強(qiáng)度設(shè)置成理想化的分布狀態(tài)。在連續(xù)發(fā)送形式的激光中，激光強(qiáng)度設(shè)定成基橫模高斯的分布形式，整體呈現(xiàn)矩形以及圓形，進(jìn)而推導(dǎo)出可用的表達(dá)式。

一、激光脈沖

激光脈沖表示帶有脈沖形式的激光裝置，發(fā)出光脈沖，可簡單看成手電筒，能被按鈕控制。脈沖方式的應(yīng)用，例如發(fā)出信號(hào)、控制熱量形成等。激光脈沖極短，能達(dá)到“皮秒”的程度[1]。

二、激光脈沖的計(jì)算分析

（一）基于鋼材熱作用

（二）計(jì)算對(duì)比分析

為驗(yàn)證上文提到針對(duì)任意既定分布光束，所得的數(shù)學(xué)表達(dá)式的可用性，本次試驗(yàn)安排運(yùn)用激光脈沖，對(duì)鋼材實(shí)施熱處理。受到試驗(yàn)條件的限制，無法跟蹤式掌握鋼材內(nèi)部溫度起伏狀況，因而選擇運(yùn)用以 為界，對(duì)應(yīng)的相變模型，進(jìn)一步評(píng)估理論計(jì)算的可用性。把對(duì)鋼材熱處理期間，出現(xiàn)大于奧氏體化溫度以及不足鋼材熔化溫度，同時(shí)冷卻速度超過馬氏體相生成對(duì)應(yīng)臨界值，滿足上述的區(qū)域，當(dāng)成相變的硬化區(qū)。鑒于 在溫度上升速度速度提高中，會(huì)隨之增大，最終確定的 是 。做好試驗(yàn)設(shè)定準(zhǔn)備后，假設(shè)經(jīng)過理論計(jì)算得出的結(jié)果和試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)基本一致，由此意味著溫度場的理論計(jì)算，具備可采取的價(jià)值。

1.試驗(yàn)條件

激光熱處理所針對(duì)的鋼材規(guī)格是 ，屬于比較標(biāo)準(zhǔn)的長方體。另外為提升鋼材表面吸收光能的效果，在長方體表面涂抹石墨吸收層，其吸收系數(shù)在 左右。試驗(yàn)中，選擇二氧化碳的激光參數(shù)包括： ，基于聚焦系統(tǒng)處理后，光能損失量在 左右;脈沖寬度是 ，脈沖周期為 。在空間上，脈沖的寬度是 ，毗鄰脈沖列之間的距離是 。試驗(yàn)中，在準(zhǔn)備的鋼材樣件上，一次往返熱處理，涉及到 個(gè)脈沖。在完成熱處理之后，分別針對(duì)鋼材各個(gè)剖面，分析其硬化帶的情況。

基于上文提到的參數(shù)內(nèi)容，以及激光在傳輸過程中的 損失量，應(yīng)用相變模型，分析相變硬化帶的規(guī)格，以供進(jìn)一步比較研究。通過比較理論模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果來看，二者平均誤差率，在 左右。具體對(duì)比統(tǒng)計(jì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下表所示。

2.結(jié)果討論

為提煉出上述計(jì)算方式的特征，運(yùn)用有限元應(yīng)用程序，開始試驗(yàn)檢驗(yàn)研究。在實(shí)際計(jì)算中，所用的有限元網(wǎng)格，設(shè)置成等分間隔的格局，以 為標(biāo)準(zhǔn)，劃分出若干節(jié)點(diǎn)，所用鋼材樣件上，標(biāo)出 個(gè)節(jié)點(diǎn)。為能等得到所需的研究數(shù)據(jù)，設(shè)定的計(jì)算周期時(shí)長為 ，而借助計(jì)算機(jī)，采用上述數(shù)學(xué)表達(dá)式，進(jìn)行計(jì)算，直到得出結(jié)果，也僅等待不足 的時(shí)間。不難想象，假設(shè)分析激光熱作用，同等時(shí)間跨度中，脈沖規(guī)模擴(kuò)大至原本的二倍，使用常規(guī)有限元的計(jì)算方式，需要等待 。但如果應(yīng)用計(jì)算公式，實(shí)際確定的時(shí)間和設(shè)置運(yùn)算時(shí)刻沒有聯(lián)系，不會(huì)干擾計(jì)算速率。運(yùn)用有限元計(jì)算時(shí)，基本條件、鋼材樣件和之前分析計(jì)算的結(jié)果無過大出入，最終存儲(chǔ)的結(jié)果，輸出激光脈沖鋼材熱作用期間，每個(gè)階段所能達(dá)到的溫度最高值情況。而后運(yùn)用 相變模型，確定硬化帶區(qū)域的深度均值是 ，和試驗(yàn)測量、分析結(jié)算所得數(shù)據(jù)接近。

對(duì)于鋼材激光熱處理的運(yùn)用分析，明確計(jì)算激光脈沖列形成的熱作用，屬于極為復(fù)雜的過程。因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)鋼材熱物性參數(shù)為溫度方程，在分析樣件外形與現(xiàn)實(shí)邊界條件的基礎(chǔ)上，僅能憑借有限元與有限差，才可以確保對(duì)激光熱作用效果的精確模擬。由于有限元計(jì)算方式，能掌握研究時(shí)刻和之前的一段時(shí)間內(nèi)，樣件溫度場等相關(guān)關(guān)鍵資料。此外，還需強(qiáng)調(diào)的有，上文提到的計(jì)算方式，是根據(jù)熱傳導(dǎo)方程，把熱物性參數(shù)定義成常數(shù)，針對(duì)半無限大的連續(xù)介質(zhì)，推導(dǎo)出的溫度場分布數(shù)學(xué)表達(dá)式。所以，在激光熱處理位置趨近平面，同時(shí)和樣件邊界較遠(yuǎn)的情況下，所得結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確。在面對(duì)現(xiàn)實(shí)熱處理的計(jì)算情況時(shí)，可增加“像熱源”的概念，進(jìn)一步促使結(jié)果更加符合實(shí)際[2]。

結(jié)束語：基于上文討論，在可以描述出某個(gè)激光強(qiáng)度的分布狀況、鋼材表面激光強(qiáng)度和時(shí)間推進(jìn)有關(guān)聯(lián)、鋼材熱物性參數(shù)和時(shí)間沒聯(lián)系并為內(nèi)部勻稱的連續(xù)性介質(zhì)條件下，使用文章所述的熱作用表達(dá)式，計(jì)算出的結(jié)果和鋼材熱處理的實(shí)際溫度場接近。和純數(shù)值的運(yùn)算方式，大幅度壓縮計(jì)算的周期，對(duì)于激光脈沖的熱處理運(yùn)用，提供比較便利的計(jì)算方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]王媛，程小勁，曹健東，等.超短激光脈沖作用下碳纖維復(fù)合材料的熱動(dòng)力學(xué)分析[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，（02）：150-155.

[2]王飛.激光脈沖對(duì)光學(xué)材料損傷的熱特性研究[D].蘇州大學(xué)，2019.