不同光束移動速度下的激光淬火有限元分析

汪 舟，姜傳海，Volker Schulze，陳艷華，嵇 寧

(1.上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海200240;2.Institut für Werkstoffkunde I，Karlsruhe Institute of Technology，Karlsruhe 76128;3.LEMHE/ICMMO，UMR 8182，Université Paris-Sud 11，Orsay 91405)

不同光束移動速度下的激光淬火有限元分析

汪 舟1，2，姜傳海1，Volker Schulze2，陳艷華1，嵇 寧3

(1.上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海200240;2.Institut für Werkstoffkunde I，Karlsruhe Institute of Technology，Karlsruhe 76128;3.LEMHE/ICMMO，UMR 8182，Université Paris-Sud 11，Orsay 91405)

為研究不同激光淬火處理條件下激光淬火溫度場和物相結(jié)構(gòu)，運用ABAQUS/Standard對激光淬火處理AISI4140鋼進(jìn)行了有限元模擬，并結(jié)合實驗進(jìn)行了驗證.結(jié)果表明：激光淬火材料最高溫度并不在光束中心，而是出現(xiàn)在距激光束中心2 mm的位置，且不隨著光束移動速度的增大而改變位置;在激光束最高溫度恒定為1150℃情況下，不同移動速度對于升溫速率影響更加顯著，而降溫速率則相對穩(wěn)定;材料本身性質(zhì)和熱邊界條件是影響降溫速率的主要因素，激光束移動速度為次要因素.另外，可以通過此模型制定合理激光處理工藝得到相應(yīng)深度馬氏體硬化層.

AISI4140鋼;激光淬火;溫度場;馬氏體層深;有限元模擬

激光表面淬火技術(shù)作為激光在材料方面的重要應(yīng)用吸引了眾多科研工作者的關(guān)注，成為材料表面處理和表面工程領(lǐng)域內(nèi)一個十分活躍的新興領(lǐng)域.在激光表面淬火過程中，高能量激光束在材料表面掃描導(dǎo)致了材料表面溫度的迅速升高和冷卻，由于熱傳導(dǎo)作用，表面熱量迅速向內(nèi)部傳遞，表層材料因此獲得極高的冷卻速度，因而可進(jìn)行自身淬火.由于經(jīng)過激光表面淬火處理后的樣品在其表層硬化的同時內(nèi)部仍然保持硬化前材料本身的力學(xué)性質(zhì)，因此材料在具有良好的抗磨抗疲勞特性的同時仍然有比較好的韌性.CO2激光和Nd:YAG激光作為2種最常見的激光形式，正因為具有一般激光所具有的特性而在工業(yè)界得到了廣泛應(yīng)用.但由于這2種激光本身的一些固有特性，導(dǎo)致效率相對較低、儀器設(shè)備相對昂貴(特別對于Nd:YAG激光)以及必須通過對材料進(jìn)行涂層來改善激光能量吸收率等不利因素，因而限制了進(jìn)一步廣泛的應(yīng)用.從上個世紀(jì)90年代中后期發(fā)展起來的高功率半導(dǎo)體激光(High power diode laser)作為一種新型的激光類型，以其效率高、壽命長、可靠性高、光斑覆蓋面積大等優(yōu)點成為一種優(yōu)良的表面淬火激光方式［1-3］.

對于激光表面淬火過程的數(shù)值模擬技術(shù)隨著激光表面淬火的廣泛應(yīng)用而得到了全球越來越多的材料計算工作者的重視和研究.由于激光淬火過程需要考慮眾多熱力學(xué)邊界條件和材料本身由于快速升降溫度所造成的不同區(qū)域相變的差異，以及由于材料不同溫度分布和不同微觀結(jié)構(gòu)引起的淬火區(qū)應(yīng)力應(yīng)變的變化，使得要建立一種同時準(zhǔn)確預(yù)測材料各項參數(shù)完善的數(shù)學(xué)模型非常困難.世界范圍內(nèi)的很多科研小組對于激光淬火過程都進(jìn)行過大量的研究，其中比較有代表性的科研機(jī)構(gòu)有美國 Purdue大學(xué) Yung C.Shin小組［4-5］、法國 Nancy高等礦業(yè)學(xué)院 S.Denis小組［6］、美國Oklahoma State大學(xué)R.Komanduri小組［7］、中國香港大學(xué)M.Leung小組［8-9］等.在眾多關(guān)于激光淬火的研究中，對于系統(tǒng)分析不同激光束移動速度對溫度場及材料微觀結(jié)構(gòu)的影響卻還很少見.

本文利用ABAQUS/standard有限元模擬軟件模擬出高功率半導(dǎo)體激光束掃描材料表面時溫度場和物相組成，并對結(jié)果進(jìn)行了驗證.進(jìn)一步運用此模型對不同激光移動速度下材料溫度場和物相進(jìn)行了預(yù)測，探討了在保持恒定激光淬火最高溫度的情況下，不同激光移動速度與硬化層深度的定量關(guān)系.

1 實驗方法

激光表面淬火實驗裝置為Karlsruhe Institute of Technology材料研究所的高功率二極管激光器.激光發(fā)射裝置采用德國Laserline公司生產(chǎn)的最大功率3 kW、激光波長940 μm的連續(xù)波激光器.溫度監(jiān)控裝置采用德國Dr.Mergenthaler公司的高溫測量儀對激光淬火過程最高溫度進(jìn)行實時監(jiān)控.激光束最高溫度設(shè)定為1150℃，以保證表面沒有燒熔損傷.光束形狀為8 mm×8 mm的正方形，光束移動速度為10和20 mm/s.AISI4140樣品平放在試驗臺上，樣品臺下部裝有保持17℃的冷卻水管，以保證激光淬火過程中樣品臺保持適當(dāng)溫度.實驗儀器如圖1所示.實驗樣品為經(jīng)過淬火+450℃/2 h回火處理的AISI4140鋼，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為:C 0.44，Cr 1.21，Mo 0.22，Si 0.28，Mn 0.81，Ni 0.07，P 0.02，Al 0.03，S 0.02，其余為Fe.試樣屈服強(qiáng)度為1250 MPa.樣品尺寸為100 mm×50 mm×10 mm，激光掃描區(qū)域為100 mm×50 mm面，進(jìn)行單道掃描.分別選取激光材料表面和內(nèi)部不同的7個點來觀測激光淬火過程中樣品不同區(qū)域溫度變化情況，所用溫度測試裝置為實驗室熱電偶.在樣品激光表面距中線5、6.5和8 mm處選取3個溫度測試點，觀測激光表面溫度變化情況.在距表面分別為1.5、2、3 mm的樣品內(nèi)部以及樣品底部選取4個點觀測激光內(nèi)部溫度變化情況.對于材料內(nèi)部的測試，采用在樣品100 mm×10 mm面鉆3個Ф1 mm×25 mm的圓柱，以便放置熱電偶裝置，圓柱圓心距表面的距離為1.5、2和3 mm.樣品實物圖和示意圖如圖2所示.

圖1 激光淬火裝置

圖2 測試樣品和溫度測量點示意圖

2 數(shù)學(xué)模型

對于激光淬火過程的模擬主要考慮三方面的因素，即材料外部因素、內(nèi)部因素和邊界條件.其中外部因素包括激光熱源功率及激光熱源移動速度，材料內(nèi)部因素包括材料本身的熱導(dǎo)率和因為溫度變化造成的相變及其因為相變產(chǎn)生的潛熱，邊界條件包括材料表面對激光熱源的吸收率、樣品和環(huán)境之間不同形式的熱交換以及各項機(jī)械約束.對于本實驗3D模型的模擬是在有限元軟件ABAQUSstandard上進(jìn)行的，其中模型單元選用溫度位移耦合單元(C3D8T)，同時為了準(zhǔn)確表征材料激光熱處理過程中熱源隨時間變化以及材料本身由于溫度造成的相變，程序中包括了ABAQUS自 帶 子 程 序 UEXPAN、USDFLD、HETVAL、DFLUX以及自行編寫的相變模擬程序UMWAND，所有子程序都是用Fortran語言編寫.其中UEXPAN用來計算激光相變過程中熱應(yīng)變增量，USDFLD用來重新定義模型中各點在微小增量后場變量的變化，HETVAL用來定義相變過程中所產(chǎn)生的相變潛熱，DFLUX用來定義在激光淬火過程中移動光束產(chǎn)生的熱源，UMWAND用來定義激光淬火過程中的各種相變過程由于激光淬火模型為軸對稱模型.為了節(jié)省程序計算機(jī)時，選1/2實物尺寸作為模擬模型的尺寸，及100 mm× 25 mm×10 mm.模擬中AISI4140本身機(jī)械及熱力學(xué)參數(shù)均來自于［10］，其中對于經(jīng)過450℃回火2 h的回火馬氏體因其結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)上與鐵素體/珠光體非常接近，因而在模擬過程中其材料性質(zhì)按鐵素體/珠光體做近似處理.

2.1 熱源處理

激光束能量的模擬根據(jù)實驗光束能量分布圖來進(jìn)行，如圖3所示，可以看到在垂直于激光束移動方向(Z)上能量均勻分布而在平行于激光束移動方向(X)上能量為一個近似于高斯分布的能量分布.

為了準(zhǔn)確表示激光束能量分布，模擬過程當(dāng)中把1/2激光束區(qū)域分成8×8=64個等面積子區(qū)，近似認(rèn)為每個子區(qū)的受輻射的能量相同，總和為1/2激光束區(qū)域內(nèi)材料受激光輻射的總能量Qa:

式中:qij為每個子區(qū)實際吸收的能量;Qa為整個光束區(qū)實際吸收能量;Q為激光束能量輸出總能量;ε為材料吸收率，根據(jù)工程上通用的灰體假設(shè)，模擬過程中ε為一恒定值.

圖3 實測激光束能量分布

2.2 材料內(nèi)部熱傳導(dǎo)

在材料內(nèi)部采用非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方程計算溫度隨時間變化，并且考慮在相變過程中所出現(xiàn)的相變潛熱的情況:

式中:T為溫度;ρ為材料密度;t為過程進(jìn)行的時間;c為比熱;Q·為相變潛熱;λx、λy、λz為 x、y、z 3個方向上的導(dǎo)熱系數(shù).

2.3 熱力學(xué)邊界條件

眾所周知，物體的傳熱方式有傳導(dǎo)，對流和輻射3種方式.在本實驗?zāi)Ｐ椭?，采用Neumann邊界條件來表示模型在激光淬火過程中與外界的熱交換，其中樣品所有表面都存在著輻射，底面的熱傳遞過程為類傳導(dǎo)傳熱，而其他5個面的熱傳遞方式主要為對流傳熱:

式中:˙q為熱流密度;h為傳熱系數(shù)(包括底面和其他5面);T為材料表面溫度;T∞為材料周圍溫度(包括周圍空氣溫度和樣品臺溫度);nx、ny、nz為表面三維向量.根據(jù)文獻(xiàn)［11］，取30 W·m-2·℃-1作為空氣對流的傳熱系數(shù)，200 W·m-2·℃-1為樣品與樣品臺類傳導(dǎo)的傳熱系數(shù).另外，所有面在激光淬火過程中都存在輻射傳熱，根據(jù)Pantsar在2006年發(fā)表的研究結(jié)果［12］，選擇0.35作為樣品輻射系數(shù)值.

2.4 相變模型

激光淬火中的相變屬于固態(tài)相變，而固態(tài)相變可分為擴(kuò)散型相變(其中包括鐵素體-奧氏體，奧氏體-鐵素體)、類擴(kuò)散型相變(奧氏體-貝氏體轉(zhuǎn)變)和非擴(kuò)散型相變(包括奧氏體-馬氏體轉(zhuǎn)變)，其中擴(kuò)散型相變和類擴(kuò)散型相變是根據(jù)Avrami等溫擴(kuò)散模型得到，非擴(kuò)散型相變是根據(jù)Koistinen-Marburger模型計算得到［13］，因此在本模型中分別用式(4)、(5)分別表示擴(kuò)散類擴(kuò)散與非擴(kuò)散型相變:

式中:f(T，t)為新相生成量;T代表溫度;t代表過程進(jìn)行時間;b、n的值通過等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線(TTT曲線)得到［14］.對于非擴(kuò)散型相變，式(5)中馬氏體的含量僅僅取決于溫度.

3 模擬結(jié)果驗證

3.1 模擬溫度場和微觀結(jié)構(gòu)的驗證

為驗證實驗?zāi)Ｐ蛯す獯慊鸸こ讨袦囟葓鲱A(yù)測的準(zhǔn)確性，比較了7個不同點的實驗和模擬結(jié)果，結(jié)果如圖4所示.得到的實驗結(jié)果如下:在激光淬火整個過程中，距表面1.5、2、3和10 mm的位置，其最高溫度分別為425、318、253和123℃;而在表面上距離樣品中心線5、6.5和8 mm的位置，其最高溫度為278、144和106℃.得到的模擬結(jié)果如下:距表面1.5、2、3和10 mm這4個位置，其最高溫度分別為430、350、250和123℃;而在表面上距樣品中心線5、6.5和8 mm的位置，其最高溫度為274、161和112℃.

圖4 實測溫度-時間曲線同模擬溫度-時間曲線

從實驗和模擬結(jié)果的比較上，可以看到其升溫冷卻曲線符合得非常好，7個不同采樣點處最高溫度平均誤差不超過9%.誤差的來源被認(rèn)為有兩方面的原因，一是樣品被鉆孔后材料內(nèi)部部分被掏空所導(dǎo)致了實際材料體積和模擬體積有細(xì)微差別，二是由于在實際測量溫度所用的熱電偶測量接觸面直徑為1mm，不可能準(zhǔn)確地測量某個精確點.盡管如此，仍然能夠比較有把握地認(rèn)為，此模型對于激光淬火溫度場有著準(zhǔn)確的預(yù)測.另外實驗?zāi)M溫度曲線的符合也可以說明在模型中所取的熱力學(xué)邊界條件是合理的.

對于模型中物相的預(yù)測，也通過金相顯微鏡得到了驗證，如圖5所示.在模擬和實驗中所取橫截面都是位于樣品正中段激光淬火穩(wěn)定區(qū).在模擬結(jié)果中，右上角淺色區(qū)域代表馬氏體硬化區(qū)，左下大部分深色區(qū)域代表的是以珠光體/鐵素體為主要結(jié)構(gòu)的基體區(qū).可以看到在模擬結(jié)果中月牙形馬氏體表面半寬度為3.5 mm，馬氏體最深深度為0.9 mm.在實驗結(jié)果中，比較明亮的區(qū)域為馬氏體硬化區(qū)，比較灰暗的區(qū)域為以珠光體/鐵素體為主要結(jié)構(gòu)的回火區(qū)，其表面寬度約為3.2 mm，深度約為1 mm.月牙形馬氏體表面寬度實驗和模擬誤差為8%，深度實驗和模擬誤差為9.3%，可以認(rèn)為實驗結(jié)果和模擬結(jié)果符合.

圖5 模擬和實驗得到的激光淬火后橫截面物相分布

3.2 不同激光束移動速度下溫度場和微觀結(jié)構(gòu)的預(yù)測

正因為有了前面比較合理的激光淬火模型，對于不同激光移動速度下溫度場和物相分布的預(yù)測才有意義.模擬工作選取激光移動速度10、20、30 mm/s這3組數(shù)據(jù)作為分析對象，其激光淬火最高溫度統(tǒng)一設(shè)定為1150℃.取樣品表面1號線上的點和樣品橫截面內(nèi)2號線上的點作為觀察對象，如圖6所示，其中1號線和2號線兩條線位于樣品正中，1號線和2號線相交點為A點.

圖6 激光淬火模型溫度場變化示意圖

圖7、8、9分別代表10、20和30 mm/s激光移動速度下材料表面和內(nèi)部不同點溫度變化情況，可以看到不同速度下表面中心(A點)達(dá)到最高溫度1150℃的時間不同，分別是V=10 mm/s時5.20 s、V=20 mm/s時2.60 s、V=30 mm/s時1.73 s.通過不同激光移動速度下A點達(dá)到最高溫度1150℃的時間和相應(yīng)的激光移動速度可以很容易得到不同激光移動速度下A點溫度達(dá)到1150℃時激光束的具體位置.

在模擬過程中，取起始點為光束中心位于樣品右邊緣位置，V=10 mm/s時，表面中心點溫度在5.20 s達(dá)到最大，此時光束中心已經(jīng)越過了A點2 mm，說明光束的最高溫度并不出現(xiàn)在光束中心，而是出現(xiàn)在距光束中心2 mm的位置.與此情況類似，在V=20和30 mm/s時，光束最高溫度同樣出現(xiàn)在距光束中心2 mm的位置.在本實驗中，對于確定光束最高溫度點具體位置對激光淬火處理工藝實非常重要，因為實驗中高溫探測儀所探測的位置應(yīng)該為光束最高溫度點位置，否則可能會造成激光淬火處理當(dāng)中表面某些區(qū)域最高溫度高于1150℃而產(chǎn)生微熔現(xiàn)象.通過模擬不同激光束移動速度下溫度的變化情況，發(fā)現(xiàn)激光束最高溫度區(qū)域并不是光束中心，而是沿激光移動方向距光束中心2 mm的位置.根據(jù)此結(jié)果我們調(diào)整實驗中高溫探測儀探測角度，使得所測溫度位置落在距光束中心2 mm的點上.另外通過對比3組不同速度下的溫度變化，也可以得出光束區(qū)最高溫度位置并不隨著光束移動速度的變化而改變.

圖7 激光束移動速度10 mm/s時各點溫度隨時間變化情況

圖8 激光束移動速度20 mm/s時各點溫度隨時間變化情況

圖9 激光束移動速度30 mm/s時各點溫度隨時間變化情況

由圖7(b)可見，在距樣品表面0.9 mm的深度下，最高溫度為782℃.AISI4140的奧氏體轉(zhuǎn)變溫度在730℃左右，在此深度下溫度高于730℃的時間非常短暫，大約為0.24 s，在如此短的時間內(nèi)只有少量鐵素體/珠光體組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，進(jìn)而在自淬火過程中轉(zhuǎn)變成為馬氏體組織.這就使得在層深0.9 mm時雖然有馬氏體存在，但其含量非常有限.在圖8(b)和9(b)中也可以看到類似現(xiàn)象，只不過V=20 mm/s時，高于奧氏體轉(zhuǎn)變溫度的深度變?yōu)榧s0.6 mm，持續(xù)時間0.1 s;V= 30 mm/s時，高于奧氏體轉(zhuǎn)變溫度的深度變?yōu)榧s0.5 mm，持續(xù)時間為0.04 s.

溫度場的分布也直接影響樣品表面激光淬火區(qū)月牙形馬氏體寬度和深度的尺寸.圖10(a)為不同速度下表面1號線上點馬氏體含量分布，圖10(b)為2號線沿層深馬氏體含量的分布.對于保持最高激光淬火處理溫度1150℃情況，不同移動速度下所產(chǎn)生的馬氏體深度是不一樣的.速度為10、20和30 mm/s時，月牙形馬氏體中心深度分別為0.9、0.6和0.5 mm，但月牙形馬氏體的寬度幾乎不變，都為3.5 mm×2=7 mm.

圖11為實測不同激光移動速度下的能量輸出，在材料激光淬火初始階段的能量輸出遠(yuǎn)大于光束移動過程中的能量輸出.取光束移動過程能量平穩(wěn)區(qū)的能量輸出作為分析對象，可以看到，為保證在不同激光移動速度下材料激光淬火區(qū)最高溫度為1150℃，當(dāng)激光移動速度為10 mm/s時，激光束輸出功率為1.74 kW(3 kW×58%);激光移動速度為20 mm/s時，激光束輸出功率為2.16 kW(3 kW ×72%);當(dāng)激光束移動速度為30 mm/s時，激光束輸出功率為2.52 kW(3 kW×84%).

圖10 不同激光移動速度下各點馬氏體含量

圖11 不同移動速度下激光束能量輸出功率

當(dāng)光束不是靜止加熱而是掃描加熱時，也可以粗略的認(rèn)為樣品某點加熱時間t(更嚴(yán)格來說是激光與材料相互作用的時間)和掃描速度V、正方形光斑邊長a間存在著以下關(guān)系:

通過此公式可以計算出 V=10、20和30 mm/s時，A點的加熱時間分別為0.8、0.4和0.27 s.根據(jù)Kirchhoff熱輻射定律，對于一般灰體，無論是否處在熱平衡下，物體對熱輻射的吸收比都恒等于同溫度下的發(fā)射率.另外，在工程研究當(dāng)中一般可以假設(shè)物體表面的吸收率和輻射率和波長無關(guān)，可認(rèn)為物體吸收率在一般情況下為一常數(shù)，因此可近似認(rèn)為吸收率在任何情況下為0.35(和輻射率相同).

圖12為假設(shè)不同溫度能量吸收系數(shù)為一常數(shù)(0.35)情況下，A點在不同激光束移動速度下總吸收能量之比，其中長方形高度代表吸收能量功率(輸出功率×吸收率)，寬度代表時間，長方形面積代表激光淬火過程中A點直接吸收總能量.對于V=10、20和30 mm/s情況下，A點總的吸收能量之比=(3 kW×58% ×0.35×0.8)∶(3 kW×72%×0.35×0.4)∶(3 kW×84×0.35× 0.27)=2∶1.3∶1.正因為不同速度下總激光吸收能量存在差別，因此在激光束最高溫度恒定(1150℃)的情況下，激光移動速度快處理過的馬氏體深度要小于激光移動速度慢處理過的馬氏體深度.為驗證馬氏體最大深度和激光吸收總能量之間是否存在線性關(guān)系，又進(jìn)行了V=20 mm/s的激光淬火實驗.

圖12 不同激光移動速度下材料吸收總能量

圖13為相應(yīng)樣品的橫截面金相圖.對比圖13和圖6(b)可見，激光移動速度10 mm/s時，馬氏體寬度約為6.45 mm，馬氏體最大深度約為1.08 mm;當(dāng)激光移動速度20 mm/s時，馬氏體寬度約為6.79 mm，馬氏體最大深度約為0.75 mm.速度的改變對馬氏體寬度影響不大，而對馬氏體深度有著明顯的影響.在模擬結(jié)果中，馬氏體深度在V=10和20 mm/s的比值為1∶0.67，在實驗結(jié)果中，馬氏體深度在V=10和20 mm/s的比值為1∶0.69.而實測樣品激光吸收總能量在V=10和20 mm/s的比值為1∶0.65.這三組接近的比值證實了馬氏體最大深度和吸收總能量之間的確存在這種線性關(guān)系，進(jìn)而可以通過模擬激光淬火實驗預(yù)測不同激光移動速度條件下馬氏體最大深度，為得到合適深度馬氏體硬化層深同時選擇比較經(jīng)濟(jì)的能量輸出提供了可靠的理論預(yù)測依據(jù).

圖13 20 mm/s激光移動速度后橫截面的金相顯微結(jié)構(gòu)

圖14為不同激光移動速度下A點溫度隨時間的變化.可以看到隨著移動速度的增加，樣品表面升溫和降溫速率都增加.

圖14 不同激光移動速度下A點溫度隨時間的變化

通過模擬計算，可以精確計算出不同激光移動速率下升溫和降溫速率的具體數(shù)值.模擬升溫區(qū)間取20～1150℃，降溫區(qū)間取1150～340℃(馬氏體轉(zhuǎn)變起始溫度).V=10 mm/s時，A點從20～1150℃的平均升溫速率為1605℃/s，從1150～340℃的平均降溫速率為1119℃/s.V= 20 mm/s時，從20～1150℃的平均升溫速率為3551℃/s，從1150～340℃的平均降溫速率為1406℃/s.V=30 mm/s時，從20～1150℃的平均升溫速率為4676℃/s，從1150～340℃的平均降溫速率為1980℃/s.可以看到，提高激光移動速度對于升溫速率影響更加明顯，這是因為影響激光淬火升溫降溫速率主要因素有2個，一是材料本身熱容、熱傳導(dǎo)和熱力學(xué)邊界條件，這屬于材料本身的性質(zhì)，二是激光移動速度.在升溫過程中，因為材料本身性質(zhì)相同，升溫主要取決于激光束能量的大小.而根據(jù)圖11，光束移動速度為30 mm/s時激光能量輸出功率為10 mm/s時激光能量輸出功率的1.45倍，這直接導(dǎo)致了30 mm/s時材料升溫速率遠(yuǎn)大于10 mm/s時材料的升溫速率.而在降溫過程中，盡管移動速度的快慢對已經(jīng)過的點仍然有熱影響，但畢竟直接加熱的激光束已經(jīng)過了觀測點，對于材料降溫的主要影響因素就為材料本身熱容熱傳導(dǎo)，以及材料和外界的熱交換，所以激光移動速度對于降溫速率影響是有限的.另外比較不同速度下低于340℃材料繼續(xù)冷卻曲線，可以發(fā)現(xiàn)曲線形狀幾乎完全相同，這就表明激光束遠(yuǎn)離觀測點時，材料的冷卻曲線完全取決于材料本身性質(zhì)和熱邊界條件.

4 結(jié)論

1)通過在物理模型中綜合考慮了激光熱源，樣品表面不同熱邊界條件和樣品內(nèi)部相變物理過程，使所建模型與實際激光淬火過程相符.通過對比實測和模擬溫度場及物相分布，驗證了模型對于溫度場、物相變化預(yù)測的正確性.

2)當(dāng)激光束為8 mm×8 mm，最高溫度為恒定1150℃條件下，高功率半導(dǎo)體激光處理樣品表面最高溫度并不出現(xiàn)在光束中心，而是在距激光束中心2 mm的地方，且不隨著光束移動速度的改變而改變位置，這一點在通過實驗和模擬都得到了很好的驗證.

3)通過模擬激光淬火實驗，發(fā)現(xiàn)在保證激光束最高溫度恒定為1150℃情況下，不同移動速度對于升溫速率影響更加顯著，而降溫速率則相對穩(wěn)定.材料本身性質(zhì)和熱邊界條件是影響降溫速率的主要因素，激光束移動速度為次要因素.

4)可以通過此模型預(yù)測不同激光束移動速度情況下馬氏體深度.在激光淬火工藝中，結(jié)合自身情況選擇合理的激光移動速度和激光能量，根據(jù)材料所需要馬氏體硬化層深度制定合理的激光處理工藝.

［1］LI Lin.The advances and characteristics of high-power diode laser materials processing［J］.Optics and Lasers in Engineering，2000，34(4/5/6):231-253.

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FEM analysis of laser hardening with different laser moving velocities

WANG Zhou1，2，JIANG Chuan-hai1，Volker Schulze2，CHEN Yan-hua1，JI Ning3
(1.School of Materials Science and Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China; 2.Institut für Werkstoffkunde I，Karlsruhe Institute of Technology，Karlsruhe 76128，Germany; 3.LEMHE/ICMMO，UMR 8182，Université Paris-Sud 11，Orsay 91405，F(xiàn)rance)

To investigate the temperature field and phase distribution in laser hardening with different laser moving velocities，the simulation of laser hardening process for AISI 4140 was carried out using finite element analysis software ABAQUS/Standard and the simulated results were verified by corresponding experimental results.The results showed that the maximum temperature position on laser hardening treated surface did not appear at the center of laser beam but 2 mm behind the center and the maximum temperature position did not change with the increasing of laser moving velocity.The change of laser moving velocity influenced heating rate more significant than cooling rate and the cooling rate was relative stable when laser moving velocity change.The main affecting factor on cooling rate was the property of material and the thermal boundary condition，the secondary factor was laser moving velocity.Additionally，using this model could establish reasonable parameters to obtain any depth of martensitic hardened layer.

AISI4140;laser hardening;temperature field;depth of matensitic layer;finite element simulation

TG111.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-0299(2011)04-0095-08

2010-08-15.

白玉蘭科技人才基金資助項目(2007B071);國家建設(shè)高水平大學(xué)公派研究生項目(2008).

汪 舟(1981-)，男，博士研究生;

姜傳海(1963-)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

姜傳海，E-mail:chuanhaijiang@yahoo.cn.

(編輯 程利冬)