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浙江工业大学硕士学位论文 激光热处理过程中材料的激光吸收率研究 摘要 由于现行激光热处理过程中难以选择优化激光参数，为解决这方 面的问题，本论文对粗糙的材料表面轮廓线进行等效处理，并在此基 础上提出了材料表面粗糙度对激光吸收率影响的计算方程；基于非金 属材料激光吸收率随光入射角度变化而变化的特殊性，介绍了材料表 面粗糙度对吸收率影响方程在非金属材料上吸收率计算上的应用；外 加电场对金属材料在激光热处理过程中有一定的影响，从机理上分析 了电场对金属材料的影响，推导出外加电场对金属材料激光吸收率的 影响方程，并以实验验证了该方程的可行性；对影响金属材料激光吸 收率的各种因素进行分析，改进了金属材料激光吸收率的计算方程， 将几种常见金属的激光吸收率曲线进行拟合，结合实验进一步验证该 计算方程可应用于实际生产。本文在激光吸收率方面的研究可以为激 光热处理过程中为激光参数的调节提供参考意义。 关键词：激光热处理，激光吸收率，表面粗糙度，外加电场 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho na bs o r p t i v i t y o fl a s e rd u i u n g l a s e rh e a tt i 通a t m e n t s a bs t r a c t a t p r e s e n t ，i t i sd i f f i c u l tt os e l e c tt h eb e s tl a s e r p r o c e s s i n g p a r a m e t e r sd u r i n gt h el a s e rh e a tt r e a t m e n t i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ， t h i st h e s i ss t u d i e st h ea b s o r p t i v i t yo fl a s e rw h i c hh a sa g r e a t e s te f f e c to n r e g u l a t i n gl a s e rp a r a m e t e r s t h es u r f a c er o u g h n e s so fm a t e r i a l sc a l la f f e c t t h ea b s o r p t i v i t yo fl a s e r ，b u ti t sd i f f i c u l tt od e t e r m i n e t h i st h e s i sd e a l s w i t ht h er o u g h n e s so ft h es u r f a c ec o n t o u re q u i v a l e n t l ya n dp u t s t oac a c u l a t i o ne q u a t i o no ft h es u r f a c er o u g h n e s se f f e c tt ot h em a t e r i a l s l a s e ra b s o r p t i v i t y t h ee q u a t i o nc a nc a c u l a t et h ea n g l eo fi n c i d e n c el a s e r w h i l en o n m e t a l l i cm a t e r i a l s l a s e ra b s o r p t i v i t yi sav a r i a t i o nf u n c t i o no f t h ea n g l eo fi n c i d e n c el a s e r ，t h ea p p l i c a t i o no ft h ee q u a t i o nf o rc a c u l a t i n g n o n m e t a l l i cm a t e r i a l s l a s e ra b s o r p t i v i t yi si n t r o d u c e dh e r e m e a n w h i l e ， t h ei m p a c to fe x t e m a le l e c t r i cf i e l d t om e t a l l i cm a t e r i a l sd u r i n gl a s e rh e a t t r e a t i n gi sr e s e a r c h e d a f t e ra n a l y z i n gt h er e a s o nw h yt h ee l e c t r i cf i e l d c a na f f e c tt h em e t a l l i cm a t e r i a lf r o mt h ee l e c t r o m e c h a n i c a 1a s p e c t ，a n da n e q u a t i o no nt h er e l a t i o n s h i po ft h ee x t e r n a le l e c t r i cf i e l db e t w e e nt h e i l 浙江工业大学硕士学位论文 m e t a l l i cm a t e r i a l s l a s e ra b s o r p t i v i t yi sd e d u c e d ，w h o s ef e a s i b i l i t yi s a p p r o v e db ye x p e r i m e n t s a tl a s t ，t h i st h e s i sa n a l y s e s v a r i o u sf a c t o r s w h i c ha f f e c tt h em e t a l l i cm e t e r i a l s a b s o r p t i v i t y ，c o r r e c t st h ec a c u l a t i o n e q u a t i o n o fm e t a l l i c m e t e r i a l s a b s o r p t i v i t y ，m a k e s a n e wc u r v eo f m e t a l l i cm a t e r i a l s l a s e ra b s o r p t i v i t ya c c o r d i n gt os o m ec o m m o no n e s ， a n de x p e r i m e n t a l l yp r o v e st h ea p p l i c a t i o no ft h ec a c u l a t i o ne q u a t i o ni n p r a c t i c a lp r o d u c t i o n t h es t u d i e s o n t h el a s e ra b s o r p t i v i t yc a no f f e r i m p o r t a n tr e f e r e n c et ot h ea d j u s t m e n to fl a s e rp a r a m e t e r si nt h el a s e rh e a t t r e a t i n g k e yw o r d s ：l a s e rh e a tt r e a t m e n t ；t h ea b s o r p t i v i t yo fl a s e r ；s u r f a c e r o u g h n e s s ；e l e c t r o r i c a lf i e l d i i i 浙江工业大学硕士学位论文 符号说明 r a ：按中线制计算轮廓算术平均偏差，即表面粗糙度 0 t ：凹槽角度 l ：试样在测表面粗糙度时的取样长度 h ：材料表面轮廓线等效处理后的等效表面的高度 n ：材料表面轮廓中的波谷数 0 ：等效处理表面轮廓线后等效表面的倾斜角度 a l ：金属材料的吸收率 a 2 ：非金属材料的吸收率 a ：材料的总吸收率( 材料可能是金属，也可能是非金属) a ：材料单次反射的吸收率 矽：光在材料表面的入射角 占：热辐射发射率 忽：热交换系数 s ：材料换热表面积 p ：激光的输入功率 t ：温度 盯：金属材料的电导率 九：入射光的波长 i ：透射光强 ：固有频率 a 对应光入射角度仍的激光吸收率 仃：黑体辐射常数 h ：综合散热系数 死：环境温度 t ：时间 瓦狮：透射率 p ：金属材料的电阻率 r ：反射率 i o ：表面( x = 0 ) 处的透射光强 h ：普朗克常数 沙：激光折射角 n i 、n 2 ：分别为入射介质和折射介质的折射率 a 、b 、d ：分别为试样的长、宽、高e ：电场强度 u ：电压 u ：试样两端电压 d ：电容两电极间的距离 e ，：试样的介电常数 一( c ：试样的电容c = 生字q ：电荷数 仃”：金属表面的自由电子密度c ：光速 o ：真空中的介电常数 0 3 激光的角频率 5 i 、e j ：分别为入射光、反射光在平行偏振分量上能量 p ：材料的电阻率 n ，：试样的核外电子层数 v l 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名：飞刍j 移日期： 宫年罗月弼e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：硒，幂 导师签名： 日期：沙碣年厂月弼日 日期：年月日 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 激光加工技术的发展 第一章绪论 激光加工是用集中的能量流( 光束、电子束和离子束、等离子流等) 加工材料 的方法之一。利用聚焦的激光辐射加工材料是1 9 6 0 年以后出现在机器制造工艺 学和其它工业部门的科学和技术方向，已研制出了大功率脉冲式的单色激光器， 材料的激光加工是已被人们采用的最有发展前途的科学方向之一。对于用集中的 能量流加工材料的理论和实践来说，激光加工还不是一个完全定型和十分完美的 方法。但是，在深入研究大功率激米束对材料作用过程的理论基础和激光对材料 作用过程的实际应用这两个方面都己获得了很大的成绩【l 】。 激光加工是激光技术一项十分重要的应用。它是利用高功率密度的激光束使 材料瞬间加热而实现的加工，可以对材料进行打孔、焊接、切割，以及进行划片、 热处理和引发化学反应等。由于激光束的发散角很小，所以能够使它聚焦成非常 小的光点( 理论上可与其波长相比拟) ，功率密度极高。可以对通常方法难以加工 的高熔点、高硬度和脆性的材料进行加工。在加工时与工件无机械接触，不受磁 场干扰。因此能实现特殊条件下的微型加工和自动化操作。激光加工在许多工业 部门中已得到程度不同的应用例如在散热片上打出若干个尺寸相同的微孔，在 微电子技术中进行薄膜处理和电阻微调，焊接玻璃罩内的金属导线，对零件进行 局部热处理，切割金属和非金属薄板等等。 因此激光加工的用途是多方面的， 可以极大地提高生产率和降低产品成本。随着科学技术的迅速发展和工业化水平 的不断提高，这门新技术也必将获得越来越广泛的应用【2 】。 激光技术作为- - l 举世瞩目的高新技术，几乎在各行业都获得了重要的应用。 近年来，激光表面处理技术不仅在研究和开发方面迅速发展，而且在工业应用方面 也取得了长足的进步，成为表面工程一个十分活跃的新兴领域1 3 】。激光表面处理既 可以通过激光相变硬化( 激光淬火) 、表面熔凝改变基体表层材料的微观结构。激 光相变硬化是现有各种激光表面处理技术中研究和应用最多的方法之一。然而目 前激光表面相变硬化技术的应用还不如传统热处理技术那样广泛和成熟，但由于 其具有的独特优越性，正日益受到人们的重视，已经在机械制造、交通运输、石 油、矿山、纺织、冶金、航空航天等许多领域得到应用和发展【4 ，5 1 。 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 激光热处理的应用现状及表面预处理 1 2 1 激光表面热处理的应用现状 自1 9 6 0 年代激光问世以来，激光技术作为- i - j 举世瞩目的高新技术，几乎 在各行业都获得了重要的应用。近年来，激光表面处理技术不仅在研究和开发方 面迅速发展，而且在工业应用方面也取得了长足的进步，成为表面工程一个十分 活跃的新兴领域【6 】。激光表面热处理包括激光表面硬化或淬火、表面合金化、表 面熔覆和激光“上釉”等。 表面硬化或淬火使铁基合金通过激光表面硬化产生马氏体从而增加零件表 面的耐磨性能和疲劳强度。例如在激光表面硬化的a i s l l 0 4 5 钢样品l l 】中，表面硬 度为h r c 5 5 ，磨损1 0 h 后所产生的质量损耗为o 6 1 4 m g ；而在相同的试验条件下， 未处理的a i s l l 0 4 5 钢的硬度仅为h r c 3 5 ，质量损耗为4 。8 m g ，经激光表面硬化后的 样品耐磨性能提高3 - 6 倍。在我国，激光表面硬化已广泛应用于汽车缸套、活塞环、 曲轴、凸轮轴及锭杆等易损件中。特别是对小汽车缸套的热处理已取得明显经济 效益，经激光表面硬化的汽车缸套可提高寿命2 3 倍 7 1 。 激光熔覆与合金化是在低熔点工件上生成高熔点合金层，借以提高材料的耐 磨性及抗蚀性。激光熔覆与合金化有许多相似之处，其主要区别在于经激光作用 后，其涂层的化学成分基本上不变化，即基体成分几乎没有进入涂层内。激光熔覆 与合金化已应用于各种阀门、气门、铸铁模具、汽轮机叶片及齿轮的齿面等，经 过激光熔覆或合金化的零件，可以大大提高零件的使用寿命，增加耐磨及抗腐蚀的 性能a 激光热处理是一项新技术，既有非常明显的优点，也有一定的适用范围将激 光热处理与常规热处理技术巧妙地结合起来，优势互补，显然是非常好的思路北 京航空航天大学对球墨铸铁材料先用激光表面重熔处理，然后在7 5 0 。c 石墨化退 火，使快速凝固共晶渗碳体亚稳相部分地转变为石墨，成功地使得处理后的球墨铸 铁变成了较理想的磨擦学材料。英国的l t r i 研究所f 8 1 开发了激光淬硬技术和其 它材料处理技术的多种不同的组合方式，如：激光塑性变形淬硬、激光超声淬硬、 此类结合的优点如下：第一，可获得带有特殊结构的激光淬硬层；第二，可获得有利 于提高疲劳强度和抗磨损性能的综合应力【9 1 。 浙江工业大学硕士学位论文 激光表面处理既可以通过激光相变硬化( 激光淬火) 、表面熔凝改变基体表 层材料的微观结构，也可以通过激光熔覆、气相沉淀和合金化等处理方法同时改 变基体表层的化学成份和微观结构。其中，激光相变硬化是现有各种激光表面处 理技术中研究和应用最多的方法之一。然而目前激光表面相变硬化技术的应用还 不如传统热处理技术那样广泛和成熟，但由于其具有的独特优越性，正日益受到 、 人们的重视。已经在机械制造、交通运输、石油、矿山、纺织、冶金、航空航天 等许多领域得到应用和发展【1 0 1 。 激光相变硬化是局部的急热急冷过程。由于加热时间短，热影响区域小，硬 化层较浅，一般只有0 3 - - 1 0m m 。激光相变硬化加热时【1 1 ，表面升温速度可达 ( 1 0 4 1 0 6 ) s ，使材料表面迅速达到奥氏体化温度，原有材料中珠光体组织通 过无扩散转化为奥氏体组织，随后通过自身热传递以( 1 0 6 1 0 8 ) c s 的冷却速 度快速冷却，奥氏体组织通过无扩散过程转化为细小的马氏体组织。这是由于激 光超快速加热条件下，过热度大；造成相变驱动力很大，奥氏体形核数目急剧增 加造成的【1 1 1 。它既可在原晶界和亚晶界成核，也可在相界面和其它晶体缺陷处成 核，而在快速加热下的瞬间奥氏体化使晶粒来不及长大，在马氏体转变时，必然 转变成细小的马氏体组织；另一方面撇光快速加热，使得扩散均匀化来不及进 行，奥氏体内碳及合金元素浓度不均匀性增大，奥氏体中含碳量相似的微观区域 变小，在随后的快速冷却条件下，不同的微观区域内马氏体形成温度有很大的差 异，这也导致了细小马氏体组织的形成。激光淬火后的马氏体组织为板条状马氏 体组织和孪晶马氏体组织，位错密度极高，可达1 0 1 2 c m 也。 金属材料表面对激光辐射能量吸收能力主要取决于表面状态。一般金属材料 表面经过机械加工，表面粗糙度很小，其反射率可达8 0 - - - - 9 0 ，影响金属材料 表面吸收光能的效率。为了提高金属表面对激光的吸收效率，在激光硬化前要进 行表面预处理。表面预处理方法很多，包括磷化法、提高表面粗糙法、氧化法、 喷涂涂料法、镀膜法等，其中最常用的是磷化法和喷涂涂料法。在原始表面上覆 以吸收激光物质涂层是最有效的一种。这些涂料除了能大大提高吸收率外，还必 须具有廉价、无毒、无污染、与基体结合牢靠、干燥快、激光扫描时无反喷、激 光处理后清除方便等特点。为此，研制出在激光淬火前能涂覆在被处理金属表面， 从而大大提高金属表面对激光的吸收能力的涂料，已成为激光技术能否在工业 浙江工业大学硕士学位论文 领域推广应用的一个重要课题。在这方面，清华大学、东北大学、郑州大学、长 春光机薪、上海光机所等单位做了许多探索研究，并取得了良好的进展【1 0 , 1 2 1 。 相变硬化的计算机模拟技术始于1 9 6 0 年代末，此后得到迅速发展，受到各 国热处理界的高度重视。尤其在近十年来，随着计算机技术的快速发展，热处理 的数学建模和计算机模拟已取得了一系列巨大的成就，为计算机模拟在材料加 工中的应用奠定了坚实的基础。在国内从事激光相变硬化计算机数值模拟研究的 单位大致有上海交通大学、清华大学i 昆明理工大学、哈尔滨工业大学、上海工 程技术大学、东北大学、武汉理工大学、大连理工大学、燕山大学、中国科学院 金属研究所、北京机电研究所等。其中上海工程技术大学的朱祖昌、俞少罗等【1 3 】 开发成功了相当复杂的激光相变硬化模拟软件。他们采用非稳态数学模型，除了 激光器的功率、光束点的几何形状与功率分布、扫描速度等工艺参数之外，还考 虑了表面吸收率和钢的导热系数为温度的函数，涂层与金属表面之间的热阻导， 相变潜热对温度场的影响等问题，模拟了激光束扫描过程中非稳态准稳态非 稳态的变化。输出三维温度场图形、显示熔池、相变硬化区、热影响区的形状和 尺寸。计算机模拟结果与红外线热像仪的测试结果吻合得较好【1 3 l 。以上研究工 作为正确制订激光相变硬化工艺提供了科学的依据。大连理工大学魏利霞基于有 限元法，建立轴对称工件激光相变硬化过程的非稳态温度场计算的数学模型，综 合考虑了各种热物性参数随温度的变化，材料传热、材料相变等多方面的特点， 对轴对称工件的激光相变硬化处理有一定的实用价值【1 4 】。 激光相变硬化技术从开始应用到现在，已经历了3 0 多年的发展历程，应用 领域不断扩大。但是由于这项工艺的技术含量很高，工艺过程中影响因素太大， 设备费用不菲，除了对形状简单、工艺基本定型且批量较大的工件可以专门建立 生产线，并可获得稳定t 拘：j n - r 质量外，在形状较为复杂的工件中应用仍存在不少 问题，基本上还是一种成本高、控制复杂但性能特殊的实验室技术。随着数值模 拟与计算机控制技术研究的不断进展，可适用于各种情况的激光相变硬化工艺 实时控制系统的研制也将获得成功，那时必将为激光相变硬化技术全面进入自 动化生产线铺平道路 1 5 j 6 1 。因此，能否为激光热处理的计算机模拟提供更为精确 的材料激光吸收率就显得尤为重要了，对材料表面的激光吸收率研究必将加快激 光技术的工业化步伐【1 7 , 1 8 】。 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 2 激光热处理中的表面预处理 金属材料表面对激光辐射能量吸收能力主要取决于表面状态一般金属材料 表面经过机械加工，表面粗糙度很小，其反射率可达8 0 9 0 ，影响金属材料表面吸 收光能的效率为了提高金属表面对激光的吸收效率，在激光硬化前要进行表面预 处理表面预处理方法很多，包括磷化法、提高表面粗糙法、氧化法、喷涂料法、 镀膜法等，其中最常用的是磷化法和喷涂料法 ( 1 ) 磷化法 磷化法是很多机械零件加工的最后一道工序，可作为激光处理前的表面预处 理磷化处理分高温磷化( 9 0 9 8 c ) 、中温磷化( 5 5 7 0 。c ) 和室温磷化( 约2 5 。c ) 在激 光处理过程中，因材料不同激光处理工艺不同，三种磷化工艺的表面预处理层( 磷 化膜) 对激光的吸收率各不相同，一般认为高中温磷化的效果更好些缺点：工艺复 杂，设备投资大，废水处理费用高( 有污染) ( 2 ) 喷( 刷) 涂料法 涂料多种多样，而且还在不断地开发出新配方和新产品在众多的涂料中，有 的配方简单，有的复杂，但都具有提高对激光吸收率的效果，大部分吸光率可达 8 0 9 8 以上，一般都能满足激光淬火的要求喷( 刷) 类涂料使用方法简单，操作方 便，除可采用喷涂方法应用较大规模生产外，还可手工刷涂用于零星少量的临时加 工与实验，且无需增加成套设备如传统的碳素墨汁涂料，刘其斌等【1 9 1 研究的新型 涂料，国玉军等【2 0 】研制的8 9 1 涂料等，国内外有众多专家研制了各种功用的涂 料，这些涂料都可在不同程度上增加金属材料的激光吸收率。 然而，有些工件对热处理的要求较高，不允许在表面涂覆涂料，这就为激光 热处理增大了难度。在目前的激光热处理工艺中尚无法解决这些问题，因此必须 寻求另外的途径，在不对工件表面造成化学污染的同时而又能提高工件表面的激 光吸收率将成为激光热处理工艺中必须要解决的问题，本文中首次提出了在金属 材料的激光热处理中使用外加电场来提高材料激光吸收率的方法。 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 激光吸收率对激光加工质量的影响 1 3 1 激光与物质的相互作用 激光加工材料全部过程的基础是激光与物质相互作用时发生的物理现象和 影响材料的结构和特性的物理现象。激光与物质相互作用泛指激光束辐照各种介 质、材料和靶物质所发生的物理、化学、生物等现象的研究领域。激光与物质相 互作用包括许多研究分支，通常专指在激光作为单色纯能量束对物质作用的意义 下发生的效应和现象。这些现象涉及的激光波长范围从红外到真空紫外波段，时 间结构包括连续、重复率和脉冲( 准连续及单脉冲) ，作用时间从亚纳秒到数小 时，靶面上激光功率密度的范围为1 0 - 61 0 2 0 j c m 2 。激光束入射于靶物质后发生的 主要物理现象，可归结为它的热和力学效应，其主要研究内容和方向可分为物质 对激光的反射、吸收和能量转化，激光对材料和结构的加热、熔化、气化和相关 的力学效应及等离子体现象，激光对电介质( 包括光学材料和光学薄膜) 和半导 体的损伤及破坏等。激光在材料表面的反射和吸收同激光波长、光强、材料性质 及表面状况有关。入射激光能量通过逆韧致过程在材料表面趋肤深度内部分被吸 收，并在亚纳秒时间内转化为热能。激光加热使材料升温，发生热扩散、热膨胀 和热应力，可能使脆性材料破碎。升温和热应力也是激光干扰及损伤光电探测器 件的重要原斟2 1j 。 激光与物质相互作用研究同激光的工程和科学应用密切相关，大多数的激光 应用都要通过激光与物质相互作用这座桥梁才能实现。利用激光束对工件进行刻 标、切割、钻孔、焊接、热处理、表面合金或非晶化、化学热加工等，可实现精 细的自动化柔性生产流程，应用前景远大。 激光与物质相互作用是激光技术应用的基础，特别是激光辐照应用于介质、 材料、器件、结构物和生物体所引起的工种力学、物理、化学和生物学效应。这 是一个随着激光器的发明而产生、发展的新兴领域，是力学、物理、材料科学、 光电子学和医学工程之间的- f l 交叉学科。目前已经形成了研究这些现象的新的 科学领域，而且和大多数新的科学方向一样，是在一些科学领域的边缘形成的 【2 2 】。 6 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 2 表面粗糙度的产生及评定 在各种生产过程中，任何物体都不可避免地会产生表面，经过加工的表面一 般认为有粗糙表面与光滑表面的差别。在现代工业生产中，一个制件的许多技术 性能的评价常常依赖于制件表面特征的状况。表面的形成机理及其特征取决于特 定的加工方式和工艺规范，在各种加工过程中任何条件的变化，包括大的表面磨 损，材料中的应力，表面硬度的差异，周围环境条件的变化以及不正确的工艺规 范，都将在表面留下痕迹，反映在制件表面的某些集合特征参量的变化之中，加 工工艺的随机性形成了具有随机性的起伏不平的表面。表面粗糙度是指加工表面 上具有的较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特征。 有些零件的功能与加工纹理方面有关，因此需要对表面粗糙度进行评定和测 量。表面加工纹理是指表面微观结构的主要方向，是加工后表面上遗留下来的主 要加工痕迹的方向和形状，一般由所采用的加工方法或其他因素形成。 评定表面粗糙度的方法有很多种1 2 3 1 ，本文采用国际上使用最普遍的按中线 制计算轮廓算术平均偏差( r a ) ，中线的确定可以归纳为两类情况：一类是在纪 录的轮廓图形上确定中线：另一类是采用测量仪器直接测读表面粗糙度参数，中 线由模拟电路或计算机软件来确定】。本文采用德国马尔s 2 型表面粗糙度测量仪 测粗糙度参数。 以中线为基准设表面轮廓线的高度为y ( x ) ，在取样长度内轮廓偏距绝对值的 算术平均值为轮廓算术平均偏型2 4 】( 见图1 1 ) ；即： 或近似为： 浙江工业大学硕士学位论文 胁蒋少j 仆2 ， 由图( 卜1 ) 可见，r a 数值上等于一个矩形方框的高度，矩形面积为粗糙度 轮廓与中线之间所围面积的和，矩形的长度为取样长度，。 1 3 3 激光热处理工艺参数及优化工艺的选择 ( 1 ) 热处理工艺参数 激光热处理过程是一个多参数综合的复杂工艺过程，这些参数包括：激光功 率p 、光斑直径d 、扫描速度v 、激光的工作方式、扫描轨迹、辅助气体气压、 激光模式等，但是在实际生产过程中，不可能同时确定这么多参数，一般首先根 据实际生产条件确定必须满足要求的一些参数，然后在此基础上不断变化其他参 数组成各种组合，通过动态仿真或实际反复试验，找出最合适的那组参数投入使 用。由于激光热处理过程涉及因素太多，因此其工艺移植性很差，就目前的现状 而言，应用该技术的单位多是根据各自情况自行选择本单位的工艺参数，很难直 接将前人的研究结果“拿来”使用，只能作为参考。 在激光热处理过程中，激光工作方式一般为连续工作方式或长脉冲工作方 式；激光模式多为光斑内能量分布比较均匀的高阶模；扫描轨迹的选择结合实际 的零件选择【2 5 2 6 1 。因此激光热处理过程中主要需确定的工艺参数为：激光功率p 、 光斑直径d 和扫描速度v 。在金属材料的激光热处理过程中，材料的温度t 满足 关系： 丁竺 d v ( 1 - 3 ) 式( 1 - 3 ) 中a 为金属表面的激光能量吸收率。与之相对应，激光热处理硬 层深度h 满足关系： h 芘竺 d v ( 1 4 ) 由式( 1 4 ) 可以看出，功率密度大，材料吸收的能量份额就多，所以表面 温度就升高，同时传入基体的能量就多，硬化深度也就增大；激光扫描速度影响 激光停留在扫描路线上各点的时间，也就是影响激光直接加热各点的时间。因此 随着扫描速度的增加，加热各点的时间缩短，在激光功率密度相同的情况下，材 浙江工业大学硕士学位论文 料能够吸收的激光能量份额就小，最终使得材料表面温度下降，同时传入基体的 能量也减少，材料硬化深度下降。根据上式可以帮助选择工艺参数，并且研究表 明激光功率、光斑直径和扫描速度三者之间可以相互补偿，经调整可以得到相近 的结果【2 7 , 2 8 】。 激光表面强化技术的关键问题之一是激光加工工艺，正确合理的激光加工工 艺的制定前提应基于激光材料相互作用完整过程的研究。因为这些研究是过程参 数选择、工艺优化、模型检验和工程应用的基础。尽管国内外在与激光强化的相 关问题上进行了大量卓有成效的研究工作，并取得了丰硕的研究成果。但是，若把 这些研究结果真正从理性高度上予以应用从而产生一个切合实际的合理的工艺 方案，还有许多技术问题需要进一步研究和探索。 工艺方案的标准问题如何确定，这是工艺研究和过程控制的前提。应该指出， 这主要应该从力学性能如强化层深、硬度分布和耐磨性等指标并结合数值模拟结 果来综合考虑。如何建立完整的数学模型来描述激光和材料的相互作用过程的温 度场、多重相变以及最终的相组成和力学性能是目前和今后的一个重要研究内容 【2 4 】 o ( 2 ) 优化工艺的选择 激光热处理工艺参数主要有激光器输出功率p 、光斑直径d 以及扫描速度 v 。实验表明，上述工艺参数对强化层的硬度和深度，以及材料耐磨性都有很大影 响。激光淬火后其硬化层深度是一个非常重要的指标，一般情况下，当光斑直径确 定后，硬化层深度与激光功率成正比，而与扫描速度成反比。孙建英【1 6 1 分别研究 了c r m o 铸铁和9 s i c r 钢的激光扫描速度、激光功率与硬化层深度、硬度之间 的关系曲线。图1 2 为c r - m o 铸铁在不同激光功率下的硬化层深，图1 3 为该 材料在扫描速度与硬化层深度的关系曲线。不同的激光强化处理工艺参数同样影 响材料处理后的表面层硬度。图1 - 4 为9 s i c r 钢在扫描速度为1 5m m s 时，表 面硬度与激光功率之间的关系曲线，从图中可以看到，当激光功率在一定范围内 时，提高激光功率会使材料表面硬度提高，这是因为随着激光功率增加，材料表 面温度会达到更高，奥氏体化更加充分，碳化物扩散增多，在激光热处理中急冷效 应作用下转化为马氏体，从而使硬度提高。当激光功率达到1 3 0 0w 后，随着功 率进一步加大，硬度会有所降低，这是由于表面产生熔融状态而导致的。可见，激 光功率存在一个优化值。图1 5 为9 s i c r 钢在激光功率为1 4 0 0 w 时，表面硬 9 浙江工业大学硕士学位论文 度与扫描速度间的关系，实验结果表明，扫描速度同样存在一个优化值【2 6 1 。 量 遘 爨 皋 酗 磅i 举嘲 图1 2 功率对硬化层深的影响 l 。0 e 0 8 窨 露觚 氅o 4 - 群0 2 0 z 、 罄 盛 皇 燃 疆 o 7 1 42 i 2 83 5 扫描建度，m i d 鼻 图1 3 扫描速度对硬化层的影响 激光功事厢 图l - 4 激光功率对表面硬度的影响 扫描速睫r a m v 图l - 5 扫描速度对表面硬度的影响 l o 浙江工业大学硕士学位论文 因此，不论是在激光热处理中选择激光功率参数，还是激光热处理的数值模 拟都可根据式( 1 3 ) 及式( 1 - 4 ) 确定大致的优化工艺参数，然而两式中的激光 吸收率a 都没有一个确定值，并且该值会随着材料种类及表面粗糙度的变化而变 化，这给实际生产中工艺参数的选择和数值模拟都带来了一定的困难，因此对材 料激光吸收率的研究就成为当务之急。 1 3 4 材料激光吸收率研究的意义 在激光热处理过程中，如何调节扫描速度和功率密度为激光热处理最佳效果 的工艺参数成为整个热处理工艺的关键。实际应用过程中，一般先根据使用要求 确定硬化层宽度，然后根据硬化宽度确定所需要的激光光斑尺寸，在此基础之上 根据其他的硬度或深度要求确定激光功率，然后得到需要的功率密度。而选择激 光扫描速度时，除了考虑硬化层深度外，还要充分考虑生产效率。 在确定功率密度和扫描速度时，同时必须考虑材料对激光的吸收率a ，在激光 器功率一定的情况下，材料的激光吸收率成为影响生产效率的最主要因素，若材 料的激光吸收率高，相应的扫描速度和光斑尺寸都可增大，生产率从而得到提高； 若材料的激光吸收率低，相应的扫描速度和光斑尺寸都必须减少，则生产率同时 下降。另外，为达到材料热处理的最佳效果，在调节激光参数时就必须要考虑材 料的激光吸收率，否则在实际生产过程中就要通过调节不同的工艺参数来重复实 验以获得该材料的优化热处理参数，这就浪废了大量宝贵的时间和精力。对材料 激光吸收率的研究能够为激光热处理过程中激光工艺参数的选择提供帮助，并在 一定程度上提高生产效率和生产质量。 金属材料激光吸收率相当的低，激光在金属表面的反射率几乎都大于9 0 。 因此，在激光热处理过程中如何提高金属材料的激光吸收率一直以来都是行业中 研究的课题。当前解决该问题的方法主要有磷化法和喷( 刷) 涂料等表面预处理 方法，然而这些传统的提高激光吸收率的方法都会不在同的程度上对工件造成化 学污染，对一些要求较高工件( 化学容器等) 的激光热处理将无法应用该方法， 因此对这些工件的加工成为了激光热处理的难题，因此，在不对工件造成化学污 染的情况下研究金属材料激光吸收率的提高方法将是当前的燃眉之急。 浙江工业大学硕士学位论文 1 4 问题的提出及研究内容 1 4 1 问题的提出 对激光加工过程中材料激光吸收率的研究作为激光与物质相互作用这一学 科的分支，在激光加工领域中具有重要的意义。材料的激光吸收率是激光与物质 相互作用的重要内容之，它是指当一束激光照射到材料表面时，在一定时间内 材料对激光束吸收的能量和这段时间内入射光总能量的比值。激光吸收率随着材 料种类及入射激光波长的改变而改变，并且材料的表面粗糙度同样对材料的激光 吸收率有很大的影响，复杂的表面及热处理材料的多样化都为激光吸收率的计算 及模拟带来了不便，没有准确的激光吸收率值就无法为激光热处理提供合理有效 的工艺参数，特别是在微加工领域，无法精确地控制激光入射功率就无法保证热 处理的效果。因此在激光热处理过程中对材料的激光吸收率的研究就显得尤为重 要，查阅资料过程中，尚未发现关于激光热处理中材料的激光吸收率研究方面的 报道，较多的是报道了不透明材料在激光热处理过程中的测量方法上的研究 2 9 3 0 川，特别是w e n l mc h e n 等提出了共轭梯度法反求吸收率3 2 】 h a n t a wc h e n 等d 3 1 采用了一种混合技术拉普拉斯变换和有限差分方法结合了最小二乘法和实 验温度数据为各种表面状况的试样预测未知的表面温度，热通量和吸收率。本文 特别针对激光热处理过程中材料的激光吸收率进行了研究。 1 4 2 研究内容 本文的主要研究内容有以下几个方面： ( 1 ) 从材料的表面状况出发研究表面粗糙度对激光吸收率的影响； ( 2 ) 研究非金属材料的的激光吸收率，并应用粗糙度对吸收率的影响公式于非 金属材料的激光吸收率计算，拟合非金属材料的激光吸收率随表面粗糙度 变化而变化的曲线； ( 3 ) 从机理出发研究金属材料的激光吸收率计算模型，并改进该模型，以实验 的方式验证该模型的可行性： ( 4 ) 同时在不改变材料不对材料表面造成化学污染的情况下研究外加电场提 升金属材料激光吸收率，通过实验测得吸收率与外加电场电压之间的关系 浙江工业大学硕士学位论文 曲线，并与理论计算相比较。 本文对材料吸收率的研究可以为激光热处理提供准确有效的激光吸收率数 值，为调整优化激光加工工艺参数及激光热处理的数值模拟提供参考。 浙江工业大学硕士学位论文 第二章表面粗糙度对激光吸收率影响的理论计算与验证 在激光技术日益成熟发展的今天，激光热处理在各大行业中体现出了它独特 的优势，特别是在精密工件加工行业中有着无法替代的作用。表面光滑的金属材 料的激光吸收率一般不超过1 0 ，非金属材料的吸收率和激光的入射角有关【j 4 1 ， 而表面粗糙度会影响激光入射角，因此表面粗糙度对激光在材料表面的激光吸收 率的研究就显得更为重要了。材料表面的粗糙度是对激光吸收率的主要影响因素 之一，不论是对金属还是非金属都可以通过调整表面粗糙程度而达到多次吸收来 增加材料的吸收率的目的，而表面粗糙度对非金属材料激光入射角的变化关系比 较明显【3 2 】，从而使其对激光吸收率的影响尤为突出。而在已有的文献中大部分 都是关于材料表面粗糙度对光散射方面研究的报道【3 5 ，3 6 1 ，部分文献上谈及材料表 面粗糙度对激光的吸收率有影响【3 3 , 3 7 ，但都没能给出它们之间的直接关系，目前 尚无相关表面粗糙度对激光吸收率影响的详细计算方面的报道。 本章研究并分析了材料的表面粗糙度及其对吸收率的影响原理，并等效处理 材料表面轮廓线，进而建立可方便计算粗糙度对激光吸收率影响的模型，并以实 验的方式验证模型的正确性。 2 1 材料表面粗糙度对激光吸收率的影响原理 材料表面粗糙度对激光吸收率 的影响是显而易见的，其主要影响 因素可以分为两部分。一方面，材 料表面对激光多次反射的重复吸 收。在光照射到材料表面时，由于 表面凹凸不平，必然会产生多次反 射，其原理如图2 1 所示。图2 1 中左边为材料表面粗糙的轮廓线【2 1 】， 图2 1 材料表面多次反射吸收原理图 右边是对单个表面轮廓波谷在激光照射下 的放大图，由图可见，垂直入射的激光束可以通过反复多次的反射而在表面v 型凹槽中得到吸收，当凹槽角度q 足够小时，垂直入射的激光束可认为是自陷的， 即通过多次反射吸收来吸收激光束的所有能量。然而实际材料的表面形态是随机 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 的，即凹槽角度a 也是随机的，就很难详细地计算所有v 型凹槽激光吸收。另 一方面，一些非金属材料的吸收率会随着激光入射角度的变化而变化，在其入射 角为布儒斯特角时，激光在材料表面的吸收率最大，几乎能全部吸收光束能量。 但由于材料表面粗糙度的存在，其凹凸不平的轮廓线不可能全部都相同，因此， 不可能让所有光在材料表面的入射角都保持在布儒斯特角状态，而实际材料的表 面形态是随机的，这使得激光入射角的大小也是随机的，这对激光吸收率的计算 增加了难度。因此，为了更方便计算，本文对材料表面粗糙度做了等效处理。 2 2 对材料表面粗糙度的等效处理 材料表面粗糙度情况复杂，在实际工作中不可能对每个波峰波谷进行研究， 因此本文进行了等效处理。首先设定二个随机表面，如图2 - 2 ( a ) 所示，将这个表 面轮廓线的波峰全部对称往下折，见图2 2 ( b ) ，图2 - 3 ( a ) 为全部轮廓线下折后的 倒三角总轮廓线，这个倒三角的高度为所有波谷高度总和的一半，因此图2 - 2 ( a ) 的材料表面轮廓线可利用图2 - 3 ( a ) 的轮廓线来等效处理。图2 - 3 ( a ) q b 的轮廓边线 不规则，这给计算带来不便，为此另外假设一个轮廓边线为直线的规则倒三角作 等效处理( 如图2 - 3 ( b ) ) 。等效处理必然会带来相应的误差，因此本文随机选取 了多个不同的原始表面并与等效为图2 3 ( b ) 后相比较来重复计算，得出图2 - 3 ( b ) 的等效处理后的表面和原始表面吸收率的误差不超过3 。 图2 - 2 - - 图2 3 中l 为取样长度，等效表面的高度h 为所有波谷和，即： h = 4 r a n 式中n 为波谷数，r a 为表面轮廓算术平均偏差。则： ( 2 1 ) tan0：丝：8rantan( 2 2 ) = 一= 一 【2 - 2j 三三 0 为等效处理表面轮廓线后等效表面的倾斜角度见图2 3 ( b ) ，因此，只要 测得材料表面的粗糙度即可求得0 值，利用0 值便可计算表面粗糙程度对激光吸 收率的影响。 浙江工业大学硕士学位论文 、，、，一、 哥寸。 夕；， 、y ， ， ( a ) 原始表面轮廓( b ) 等效对折 图2 2 材料表面轮廓线对称下折等效图 i ， i ， i j l ：一 l ( a ) 对折后的轮廓 ( b ) 完全等效的轮廓 图2 3 所有表面轮廓线对称下者后的总等效图 2 3 等效处理后激光吸收率的分析 由于材料表面粗糙度不同，因此激光在表面重复反射的次数也不相同，这主 要反映在角度0 的变化上，因此可按反射次数来计算在各个角度0 上的吸收率。 同时很多非金属材料的激光吸收率与入射角度有关，在下文的计算模型中可很容 易地计算出各粗糙度下的入射角度。这里0 的取值是吸收率计算的关键。在实际 应用过程中，只需测得 材料表面的粗糙度，就 可以按0 的取值来选择 具体的计算公式，从而 求出吸收率。 ( 1 ) 当0 秒互 6 时：光为全部一次反 图2 - 4 一次反射的表面光路 示意图 射，图2 4 为一次反射时的表面光路示意图，则： 图2 5 部分二次反射的光路 示意图 浙江工业大学硕士学位论文 金属吸收率：4 = a ；( a l 为金属材料的吸收率，a 为材料单次反射的吸收率， 下文亦同) 非金属吸收率：鸣= a = l 4 n 2c o s t p ( n 2 - s i n 2 缈) j 】 i n 2c o s 伊( n 2 - s i n 2 妒) i 】2 ( a 2 为非金属材料的吸收率，其 中光入射角矽= 伊) ( 2 ) 当詈秒三4 时：光为全部一次反射，部分二次反射，图2 - 5 为相应的 表面光路示意图，则： 金属吸收率：4 ：a 一竺警( 1 一a ) a ； c o s 非金属吸收率：4 = a l c c o 。s s 3 0 ( 1 一或) a ：( a ，分别为对应光入射角度仍的激光吸 收率，下文亦同，其中入射角 仍= 9 ，仍= 万一3 0 ) ( 3 ) 当号p