激光表面淬火是一个多参数综合的工艺过程,人们难以用实验的方法直接测量其瞬时温度分布,也就导致了很难对影响相变硬化层深的诸因素作出定量的分析。随着近代计算技术的发展,可望借助先进的计算机技术,对影响相变硬化层深的诸因素作出定量的分析。本文结合先进的大型有限元分析软件ANSYS,对激光表面淬火的温度场进行有限元模拟,并在此基础上,对此展开一系列研究。 根据物理原型的激光表面淬火的热传导微分方程,基于ANSYS环境下,建立三维的有限元模型,考虑与实际接近的加载条件,并对整个激光扫描中温度场瞬态变化过程进行了模拟。激光淬火过程中,除进出端外,横截面的硬化层分布几乎一致。仅考虑硬化层分布而言,即针对研究相变硬化层深,又建立了运算量减少而精度大大提高的激光表面淬火的二维模型。 激光淬火硬化层深是衡量效果好坏的主要指标,该指标与激光功率P、光斑尺寸、扫描速度v等有关工艺参数有关,还与材料对激光束能量的吸收率有关。本文定义材料吸收激光能量与激光束能量的比值为激光能量转换系数η,η的影响因素包括了光束穿过光学系统的光学能量损失、因对流和辐射换热引起的能量损失、预处理过材料表面吸收系数随温度的变化。将实验数据和模拟数据相结合,深入研究能量转换系数η与工艺参数P、v的变化规律,建立了能预测硬化层深的数学模型,并再次用实验来验证其具有极高的精确性。通过反复实验和模拟验证,对于将预测的相变硬化层深误差率控制在5%以下,经证实是可以达到。本文是基于ANSYS的激光表面淬火过程中能量转换系数的分析,并且只针对45″钢和材料表面状况完全相同的情况,因此,对于不同材料和不同表面预处理的情况,文中结论则没有通用性。本文主要提供的是一种新的研究思路,结合先进计算机技术,为研究精确控制工艺参数和相变硬化层深提供依据。目前为止,对于精确预测相变硬化的深度基本上是一种设想。本文就是从这个角度出发,力求提供一种能精确预测层深的研究思路,这也是本文研究的意义所在。 此外,对激光表面淬火后硬化层的均匀性方面做了一些分析。激光表面淬火后的相变硬化层不均匀性主要体现在硬化层横截面形貌和进出端差异。对硬化层横截面形状的优化可以通过改变光斑功率密度分布来达到的观点,通过在ANSYS中的模拟理论上进行了验证。对于进出端差异的研究,主要是通过试验研究来考虑如何减少进出端的差异,并通过大量的实验数据推断出一系列的规律。