碟片激光器激光淬火過程數(shù)值模擬與試驗研究

李昌，于志斌，趙金月，李云飛，韓興

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碟片激光器激光淬火過程數(shù)值模擬與試驗研究

李昌1，于志斌1，趙金月1，李云飛2，韓興1

1.遼寧科技大學 機械工程與自動化學院，遼寧 鞍山 114051； 2.中國能建東電一公司 鍋爐項目部，沈陽 110179）

通過模擬計算得出45鋼激光淬火溫度場的瞬變規(guī)律和微觀組織相變規(guī)律，得出馬氏體的形成與轉(zhuǎn)變程度，測出淬火相變硬化的層深與層寬?；贑OMSOL Multiphysics建立碟片激光器對45鋼激光淬火過程的熱力耦合模型，利用JMatpro計算45鋼激光淬火過程中的物性參數(shù)變化，對模型物性參數(shù)進行修改，并以4000 W碟片激光器對45鋼進行激光淬火試驗，通過Axioskop 2掃描電子顯微鏡、Zeiss-?IGMA HD場發(fā)射電子顯微鏡、HXS-1000A顯微硬度儀分析45鋼淬火組織和相變硬化規(guī)律。相同功率下，碟片激光器與傳統(tǒng)激光器相比，激光淬火相變硬化層及熱影響區(qū)明顯增大，相變界限清晰，淬火影響區(qū)呈高斯分布，完全相變區(qū)組織轉(zhuǎn)變效果較好，熱影響過渡區(qū)沿高斯弧線近似等距分布。激光淬火層由表及里依次為完全淬火相變區(qū)、不完全淬火區(qū)和芯部基體，完全淬火區(qū)形成致密細小的針狀馬氏體和少量殘余奧氏體，淬硬層呈高斯分布，深達1084.589 μm，最大寬度9761.989 μm，硬度達到799HV，不完全淬火區(qū)厚度為361.533 μm。試驗結(jié)果與模擬計算結(jié)果吻合，COMSOL可實現(xiàn)對激光淬火過程的有效模擬。

碟片激光器；激光淬火；相變；微觀組織；數(shù)值模擬

激光淬火是一種重要的激光表面處理技術(shù)，它依托激光熱源，使被掃描工件表面迅速積聚激光能量，表面溫度以105~106℃/s的升溫速度迅速升高到高于奧氏體相變點但低于熔點的溫度區(qū)間，然后自激冷卻迅速使表層發(fā)生相變，形成組織細密、高位錯密度的高碳馬氏體。該工藝方式熱變形小、突破復雜零件形狀曲線限制，無需水、油等中間冷卻介質(zhì)，工藝周期短且質(zhì)量穩(wěn)定可控，強化效果好，適用性強。1974年，美國通用首次對鑄鐵殼體實施激光淬火，提高耐磨性近10倍[1]。M. Pellizzari和M. G. DeFlora以功率4.4 kW的Nd:YAG激光器，對C40進行激光淬火，得出了磨損與微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系[2]。國內(nèi)近幾年激光淬火技術(shù)發(fā)展迅速，主要對汽車缸套進行激光淬火處理[3]。李剛基于1050 W功率的CO2激光器對GCr15進行淬火，光斑直徑4 mm，掃描速度6 mm/s，極大地提高了硬度、耐磨性和耐蝕性[4]。激光器是激光淬火的核心關(guān)鍵件，因CO2激光器和Nd:YAG激光器出現(xiàn)和應用早，激光淬火主要應用這兩類激光器，研究也多以這兩種激光器展開，碟片激光器激光淬火相對較少[5]。

影響激光淬火的工藝參數(shù)較多，如激光功率、光斑直徑、掃描速度、離焦量，很難找出這些工藝參數(shù)間確切的定量算式關(guān)系，不同材料的研究結(jié)論對于不同的激光器差異較大，找出最優(yōu)激光淬火工藝參數(shù)是提高淬火效果的關(guān)鍵。依靠傳統(tǒng)的試驗方式，不能快速準確得出淬火過程工件溫度場瞬時變化規(guī)律和微觀組織相變規(guī)律，難以實現(xiàn)對最佳工藝參數(shù)的準確評估，且可操作性差，費時費力[6-9]。數(shù)值模擬方法能夠有效獲取淬火過程溫度場和相變瞬態(tài)信息，同時可借助試驗對模擬結(jié)果進行驗證，為確定最優(yōu)激光淬火參數(shù)提供了有效途徑。近年來，從試驗和模擬角度對激光淬火進行了一定量的研究[10-12]，但以CO2激光器、Nd:YAG激光器為主，碟片激光器淬火試驗研究較少。本文以通快4000 W碟片激光器為載體，從模擬和試驗角度研究激光淬火對45鋼組織、相變硬化和表面性能的影響規(guī)律。

1 碟片激光器45鋼激光淬火過程數(shù)值模擬

1.1 激光淬火傳熱微分方程

激光淬火過程的能量傳遞遵循熱力學第一定律，熱量傳輸主要包括熱傳導、熱對流和熱輻射3種方式，熱傳導用傅里葉定律描述為：

式(1)中，q為作用于45鋼表面的熱流密度，W/m2；?/?為方向溫度偏導數(shù)；為導熱系數(shù)，W/(m·K)；負號表明熱能由高溫向低溫傳輸。

熱對流用牛頓冷卻方程表述為[13]：

式(2)中，為熱流密度，W/m2；為流體換熱系數(shù)；z為固體表面溫度，K；∞為流體溫度，K。

在激光相變硬化過程中，基體與室溫存在溫差，向外熱輻射，由斯蒂芬-波爾斯曼方程描述為：

式(3)中，為基體表面輻射的熱流密度，W/m2；0為基體環(huán)境溫度，K；0為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，通常取5.67×108W/(m2·K4)；s為45鋼表面溫度，K；為基體表面熱輻射率。

激光淬火總傳熱方程為[14]：

激光吸收率與激光波長、基體粗糙度有關(guān)且隨溫度變化，本試驗選取TruDisk 4002激光器，波長為1030 nm，淬火前處理粗糙度為3.6 μm。運用Hagen-Rubens公式確定激光吸收率為：

式(5)中，e為電阻率，0為激光波長。

1.2 45鋼激光淬火過程數(shù)值模擬

為實現(xiàn)對45鋼碟片激光器激光淬火的有效模擬，基于COMSOL Multiphysics建立如圖1試件，尺寸200 mm×100 mm×5 mm，材質(zhì)如表1。因激光淬火中急冷急熱會導致材料物性參數(shù)隨溫度變化，用JMatpro計算45鋼的比熱容﹑密度﹑導熱系數(shù)﹑電阻率隨溫度變化的數(shù)據(jù)，以插值函數(shù)形式導入COMSOL，改變試件的物性參數(shù)，圖2為計算得出的45鋼相變曲線。采用四面體分網(wǎng)，沿激光掃描路徑進行網(wǎng)格局部細化，頂點單元數(shù)10，邊單元數(shù)420，邊界元數(shù)8272，單元數(shù)56 428，有限元網(wǎng)格模型如圖3a。根據(jù)圖2的相變曲線設定45鋼淬火過程中的相變條件（>0.1，>1035 K，1，>0.1，<1035 K，2）對模型進行熱力耦合、相變計算求解，得出45鋼碟片激光器淬火過程中溫度場瞬變規(guī)律和微觀組織相變規(guī)律。分別以表2中3種激光淬火參數(shù)進行模擬計算，從試件中線上=0、=0、=0位置沿軸正向淬火掃描，計算淬火過程溫度場，以試件2計算為例，結(jié)果如圖4所示。

圖1 基于COMSOL的45鋼激光淬火試件模型

表1 45鋼的元素組成

Tab.1 Element composition of 45 steel wt%

圖2 45鋼激光淬火過程相變曲線

圖3 45鋼激光淬火有限元模型與溫度采集線

計算得出試件2沿圖3b采集線上不同時刻的溫度變化曲線，如圖5。激光掃描初始位置線、終止位置線不同瞬時溫度變化分別如圖6和圖7所示。計算結(jié)果表明，COMSOL計算能夠準確再現(xiàn)激光掃描淬火過程中基體溫度場的瞬態(tài)變化過程。

表2 激光淬火選取的試驗參數(shù)

Tab.2 Test parameters selected by laser quenching

圖4 試件2在不同時刻激光淬火溫度場瞬時變化圖

圖4結(jié)果表明淬火中激光光斑形成了集中熱源加熱區(qū)，中央溫度最高，由里向外呈高斯梯度遞減；隨著光斑的掃描，在熱傳導、熱對流、熱輻射的綜合影響下，基體表面沿掃描方向的反向形成了“彗星狀”收縮溫度帶，溫度帶內(nèi)的溫度由里向外呈梯度遞減趨勢，急冷效果明顯。圖5為激光淬火過程中沿淬火掃描方向不同位置的溫度隨時間變化梯度，0~2.5 s，光斑高溫影響區(qū)不斷前移，光源中心溫度最高，均值接近1350 K；隨著光斑移動，采集線上不同位置處溫度呈規(guī)律性變化，離光斑越近，溫度梯度越大，升溫梯度要略大于降溫梯度；0.8 s時光斑到達50 mm附近，光斑掃過位置開始自激冷卻，溫度迅速降低，光斑未到之處，溫度仍為室溫；不同時刻光斑熱影響區(qū)溫度變化趨勢相近。

圖6為掃描開始位置線在不同時刻的溫度變化。掃描初始時刻，基體接近室溫，隨著光斑的掃描，不同位置溫度呈現(xiàn)近高斯分布，中央溫度最高，兩側(cè)迅速遞減為室溫，可定量得出激光掃描過程溫度影響區(qū)范圍。0.1 s時，開始位置線受光斑熱影響最為明顯，最高溫度588 K；0.1~3 s內(nèi)，隨著光斑遠離開始位置線呈現(xiàn)自激冷卻，迅速接近室溫，降溫梯度由140 K先逐漸減小到5 K，而后增大到25 K，然后接近室溫。圖7為激光掃描終止位置線不同時刻淬火溫度的變化曲線。0 s時，終止位置線與光斑距離較遠，該位置溫度未受光斑熱影響；1.7 s時，終止位置線受光斑熱影響明顯，沿測量線長度方向溫度呈近高斯分布，最高溫1350 K，兩側(cè)迅速遞減為室溫。光斑過后，熱影響逐漸減弱，降溫梯度由770 K減小到50 K，最終接近室溫。

圖5 試件2不同時刻沿采集線淬火溫度變化曲線

計算得出不同時刻激光淬火后基體表層相變硬化規(guī)律，試件2在=0.5 s時的相變結(jié)果如圖8，3種試件完全相變后的結(jié)果如圖9。結(jié)果表明，激光淬火過程中，不同工藝下相變明顯不同，試件2基體表層發(fā)生了奧氏體向馬氏體的逐漸轉(zhuǎn)變，相變深度為681.1686 μm，不完全相變區(qū)厚度為285.6818 μm，相變寬度為6141.275 μm。試件1相變深度1081.436 μm，不完全相變區(qū)厚度為360.421 μm，相變寬度為9760.763 μm。試件3相變深度503.342 μm，不完全相變區(qū)厚度為251.272 μm，相變寬度為4041.581 μm。

圖6 激光掃描初始位置線不同時刻的淬火溫度變化曲線

圖7 激光掃描終止位置線在不同時刻淬火溫度變化曲線

圖8 t=0.5 s時試件2激光淬火相變層的寬度與深度

圖9 t=3 s時試件激光淬火相變

2 碟片激光器激光淬火試驗

試驗材料選45鋼（如圖10a），退火處理，化學成分如表1。試驗以TruDisk 4002激光器配六自由度機器人實現(xiàn)激光淬火，如圖10b。碟片激光器將固體激光器的棒狀晶改為碟片晶，碟片晶薄且徑厚比大，可及時有效冷卻。一維熱傳導使晶體內(nèi)溫度分布均勻，解決了熱透鏡問題，改善了光束質(zhì)量、轉(zhuǎn)換效率及功率穩(wěn)定性，其轉(zhuǎn)換功率可達30%，比棒式激光器提高近10倍，具有光束質(zhì)量高、維修成本低、光纖引導柔性加工等優(yōu)勢，比傳統(tǒng)激光器具有優(yōu)勢。激光器波長1030 nm，激光功率80~4000 W，輸出光束0.2 mm時，光束質(zhì)量為8 mm·mard。

激光淬火前對試件表面進行預處理，粗糙度為3.6 μm。對各試件激光淬火，沿垂直掃描方向縱向切開，用砂紙逐級打磨、拋光，用4%硝酸酒精溶液腐蝕，用Axioskop2 SEM電子顯微鏡、蔡司場發(fā)射電子顯微鏡進行金相試驗，觀察淬火硬化層顯微組織變化形貌，測量淬硬層及熱影響區(qū)厚度。用HXS-1000A顯微硬度計，對淬火層硬度進行測量，加載0.2 kg，加載時間10 s。

圖11為2號試件不同激光器激光淬火金相形貌，碟片激光器與傳統(tǒng)激光器相比，激光淬火相變硬化層及熱影響區(qū)明顯增大，相變界限清晰。圖12是2號試件整體淬火金相形貌。測量相變硬化層深度及熱影響區(qū)厚度，結(jié)果分別如表3和表4所示，測量位置如圖13b。試驗表明，激光淬火后，金屬表層發(fā)生顯著相變硬化，由表層到基體分為完全相變硬化區(qū)、熱影響過渡區(qū)和芯部基體區(qū)。完全相變硬化區(qū)主要是含碳不均的針狀馬氏體和少量殘留奧氏體，該組織的形成是由于高功率密度激光輻照，導致急熱急冷，碳及合金元素來不及擴散而滯留，對馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生差異化影響，造成組織不均。急熱導致奧氏體形核數(shù)急速遞增，形核可在原晶界、亞晶界、相晶界及晶格缺陷處發(fā)生，晶粒不能及時長大，從而形成高碳、高位錯密度馬氏體。熱影響過渡區(qū)由表及里升溫呈梯度遞減，短時原子遷移、擴散不明顯，相變不充分，不能完全奧氏體化，由馬氏體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和珠光體。而芯部受激光輻照熱影響較小，未發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，主要是珠光體和鐵素體。

圖10 激光淬火試件與設備

淬火影響區(qū)呈高斯分布，完全相變區(qū)組織轉(zhuǎn)變效果較好，熱影響過渡區(qū)沿高斯弧線近似等距分布。測量得出，試件1相變硬化層寬度為9761.989 μm，平均厚度為1084.598 μm，熱影響區(qū)厚度為361.533 μm，占比近33%。試件2相變硬化層寬度為6143.396 μm，最大厚度為682.599 μm，熱影響區(qū)厚度為286.691 μm，占比近42%。試件3相變硬化層寬度為4042.789 μm，平均厚度為505.349 μm，熱影響區(qū)厚度為252.674 μm，占比近50%。模擬與試驗結(jié)果基本吻合。

圖11 2號試件不同激光器激光淬火金相形貌

圖12 2號試驗件縱深組織變化

表3 激光淬火相變硬化層深度測量

Tab.3 Measurement of depth of phase change hardening layer by laser quenching

表4 激光淬火熱影響過渡區(qū)厚度測量

Tab.4 Measurement of thickness of transition zone by laser quenching

在加載0.2 kg、10 s條件下，通過HXS-1000A顯微硬度計對淬火層硬度和表面硬度進行測量，試件壓痕分布如圖13a，試驗結(jié)果如圖14。試驗結(jié)果表明，試件1-1#距離表面0.145 mm時硬度為799HV，在0.145~0.723 mm內(nèi)，發(fā)生完全相變，硬度先減小后增大，完全相變區(qū)與熱影響區(qū)交接邊緣硬度提高到788HV，進入過渡區(qū)，硬度下降明顯。試件1-2#表層硬度為660HV，距離表層0.09 mm處達最大值848HV，距表層0.09~0.4 mm處呈現(xiàn)先減小后增大的波動，完全相變區(qū)與熱影響過渡區(qū)的交接邊緣硬度提高到610HV，進入熱影響過渡區(qū)，硬度下降明顯。試件1-3#表層硬度580HV，距離表層0.1 mm處最高達770HV，完全相變區(qū)與熱影響區(qū)邊緣交界處提升到730HV而后遞減。淬火表面硬度呈正態(tài)分布，光路中心硬度最大，試件1為54HRC且保持2 mm寬度的均勻分布，距離中心越遠，硬度越低；試件2光路中央硬度達最大值55HRC，距離光路中心越遠，硬度下降趨勢越明顯；試件3最高硬度出現(xiàn)在光路中心處，為53HRC，距離光路中心越遠，硬度下降趨勢越明顯?？梢姡ㄟ^碟片激光器提升淬火硬度較為明顯，完全相變區(qū)硬度雖高，但也存在一定的小幅度波動，呈現(xiàn)先減小后小幅度回升趨勢，邊緣區(qū)硬度相對較高。隨著激光輻照功率的降低，完全相變區(qū)小幅度波動得到抑制。

圖13 試件2表面硬度與硬化層測量示意圖

圖14 激光淬火硬化層硬度分布

3 結(jié)論

1）將COMSOL Multiphysics與JMatpro結(jié)合，可建立碟片激光器激光淬火過程變物性參數(shù)的熱力學耦合模型，實現(xiàn)對溫度場和相變過程的計算求解。計算結(jié)果與試驗吻合，驗證了模型計算的有效性。

2）大功率碟片激光器對激光淬火更具性能優(yōu)勢。45鋼碟片激光器淬火試驗表明，熱影響區(qū)呈高斯分布，隨著輻照功率的降低，淬火區(qū)深度和高斯弧寬度明顯減小，熱影響過渡區(qū)厚度有所增加。硬度提升明顯，完全相變區(qū)硬度較高，但也存在一定的小幅度波動，呈現(xiàn)先減小后小幅度回升趨勢，隨著輻照功率的降低，完全相變區(qū)小幅度波動得到抑制。

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Numerical Simulation and Experimental Study on Laser Quenching Process of Disk Laser

1,1,1,2,1

(1. School of Mechanical Engineering and Automation, University of Science and Technology Liaoning, Anshan 114051, China; 2. Boiler Project Department, Energy China NEPC, Shenyang 110179, China)

The work aims to obtain the transient law of laser quenching temperature field and microstructure transformation law of 45 steel obtained through simulation calculation, get the formation and transformation degree of martensite, and measure the layer depth and width of quenching phase transformation hardening. Based on COMSOL Multiphysics, the thermodynamic coupling model for laser quenching process of 45 steel plate laser was established and the changes of physical parameters during laser quenching were calculated by JMatpro to modify the physical parameters of the model. At the same time, based on 4000 W disk laser, a quenching experiment of 45 steel was carried out. The quenching microstructure and phase change hardening law of 45 steel were observed by Axioskop 2 scanning electron microscope, Zeiss-?IGMA HD field emission electron microscopy and HXS-1000A microhardness tester. Under the same laser power, the hardened layer and heat-affected zone of disk laser quenching were obviously larger than those of conventional laser quenching, the boundary of phase transformation was clear, the quenching affected zone showed Gaussian distribution, and the microstructure transformation effect in the complete phase transformation zone was better, and the heat-affected transition zone was approximately equidistant along the Gaussian arc. The laser quenching layer was composed of completely quenched phase transformation zone, incomplete quenched zone and core matrix, from the outside to the inside. Fine needle like martensite and a small amount of retained austenite were formed in the complete quenching zone; the hardened layer showed Gauss distribution, the depth was 1084.589 μm, the maximum width was 9761.989 μm and the hardness was 799HV. The thickness of incomplete quenched zone was 361.533 μm. All the experimental results coincide with the simulation results, and COMSOL Multiphysics can achieve an effective simulation of laser quenching process.

disk laser; laser quenching; phase change; microstructures; numerical simulation

2018-09-27；

2018-11-29

TG156.3

A

1001-3660(2019)06-0203-09

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.06.024

2018-09-27；

2018-11-29

國家自然科學基金（E050402，51374127）；遼寧科技大學創(chuàng)新團隊建設項目（601009830-02）；遼寧省教育廳項目（2017FWDF01）；公安部消防重點實驗室開放課題（KF201704）

Supported by National Natural Science Foundation of China (E050402, 51374127), Innovation Team Building Project of Liaoning University of Science and Technology (601009830-02), Project of Education Department in Liaoning Province (2017FWDF01) and the Opentopics of Firefighting Key Laboratories of the Ministry of Public Security (KF201704)

李昌（1980—），男，博士，副教授，主要研究方向為機械可靠性工程、激光表面處理技術(shù)。郵箱：lichang2323-23@163.com

LI Chang (1980—), Male, Doctor, Associate professor, Research focus: mechanical reliability engineering and laser surface treatment technology. E-mail: lichang2323-23@163.com