（材料加工工程专业论文）光纤激光毛化数值模拟.pdf

硕士学位论文 摘要 作为新一代激光技术的代表，光纤激光毛化设备不但克服了传统激光毛化设 备晶体热效应严重、体积庞大、稳定性差、不适应大规模生产要求等诸多缺点， 而且毛化质量好，成本低，效率高，可以实现有序、无序毛化，功能多，易实现 模块化、集成化，为激光毛化技术的推广奠定了基础。然而，光纤激光毛化技术 正处在初步发展的阶段，各主要参数对毛化过程的影响都不完善。与传统激光毛 化相比，由于光纤激光的波长短，金属对其吸收率更高，可以单频、单模运转等 诸多差异，因此毛化过程中各主要参数对毛化结果的影响也不尽相同。利用数值 模拟的方法对光纤激光毛化进行研究，对于预测、分析各主要毛化参数对毛化结 果的影响，优化毛化工艺和探索新的毛化方法都有十分重要的理论指导意义和实 际应用价值。 本文采用数值模拟的方法模拟光纤激光毛化过程中，激光功率、扫描速度、 脉冲宽度、离焦量对毛化熔池的影响，模拟结果表明，激光功率是决定毛化熔池 温度和形貌的主要参数，二者近乎线性关系。并依据模拟结果利用光纤激光毛化 设备对9 c r 3 m o 轧辊进行毛化，探索、研究了可控性无序激光毛化工艺，提出了 四种无序毛化的方法，即：速度调试法、频率调试法、外部调试法和综合调试法。 实验结果表明，四种方法都可以实现无序毛化，其中综合调试法无序化程度更大， 毛化质量最佳。研究结果已应用于实际生产。 关键词：光纤激光；激光毛化：数值模拟：无序毛化；p h o e n i c s 光纤激光毛化数值模拟 a b s t r a c t a sar e p r e s e n t a t i v eo ft h en e wg e n e r a t i o no fl a s e rt e c h n o l o g y , t h ef i b e rl a s e r f l e x i b l ew o r k s t a t i o nh a so v e r c o m em a n ys h o r t - c o m i n g so ft h e t r a d i t i o n a ll a s e r t e x t u r i n ge q u i p m e n t , s u c ha st h es e r i o u st h e r m a le f f e c t , b u l k y , p o o rs t a b i l i t y , n o ts u i t e d t ol a r g e - s c a l ep r o d u c t i o nr e q u i r e m e n t s t h i sf i b e rl a s e rf l e x i b l ew o r k s t a t i o na l s oh a si t s o w na d v a n t a g e s ，s u c ha st e x t u r i n go fg o o dq u a l i t y , l o wc o s t , h i g he f f i c i e n c y , c a l ld o t e x t u r i n go r d e r e do rd i s o r d e r e d , m u l t i - f u n c t i o n a l ，e a s yt oi m p l e m e n tam o d u l a r , i n t e g r a t e d , l a i dt h ef o u n d a t i o nf o rt h ep r o m o t i o no ft h et e c h n o l o g yo f l a s e rt e x t u r i n g h o w e v e r , t h ef i b e rl a s e rt e x t u r i n gt e c h n o l o g yi si nt h ei n i t i a ld e v e l o p m e n ts t a g e ，t h e m a i np a r a m e t e r so nt h ep r o c e s so ft e x t u r i n ga i nt h es t u d ya n da n a l y s i ss t a g e c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a ll a s e rt e x t u r i n g ，m e t a lh a v eh i g h e ra b s o r p t i o nr a t ef o rt h e s h o r t - w a v e l e n g t ho ff i b e rl a s e r b e c a u s eo fs i n g l e - f r e q u e n c y , s i n g l e - m o d eo p e r a t i o n a n dm a n yd i f f e r e n c e s ，t h em a i np a r a m e t e r so nt h ep r o c e s so ft e x t u r i n go na r en o tt h e s a m et ot h er e s u l t so ft e x t u r i n g i ti sv e r yi m p o r t a n tt ou s et h em e t h o do fn u m e r i c a l s i m u l a t i o nf o rf o r e c a s t i n ga n da n a l y z m g i nt h i sp a p e r , t h em e t h o do fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a su s e dt os t u d yt h ei m p a c t o ft h e l a s e rp o w e r , s c a n n i n g - s p e e d , t h el a s e rp o w e ri st h em a i np a r a m e t e r st o d e t e r m i n et h ef i b e rl a s e rt e x t u r i n ga n dm o r p h o l o g yo ft w oa l m o s tl i n e a rr e l a t i o n s h i p p u l s e w i d t h , d e f o c u sa m o u n tt of i b e rl a s e rt e x t u r i n gp r o c e s s ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a t , f o u rm e t h o d sf o rd i s o r d e rt e x t u r i n gh a v eb e e np r o p o s e da c c o r d i n gt oc o n c l u s i o n , i n c u l d i n gc h a n g et h es p e e d , c h a n g et h e l a s e rh e a dp o s t u r e ，c h a n g et h ep u l s e 丘c q u e n c y , c o m p r e h e n s i v ea d j u s t m e n tm e t h o d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t , f o u rm e t h o d s a l lc a nr e a l i z et h ed i s o r d e rt e x t u r i n ga n dt h ef o u r t hm e t h o di sb e t t e rt h a no t h e r s t h e r e s u l t sh a v eb e e na p p l i e dt oa c t b a lp r o d u c t i o n k e yw o r d s ：f i b e rl a s e r ；l a s e rt e x t u r i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；d i s o r d e rt e x t u r i n g ； p h o e 】川c s 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 1 9 6 0 年，美国的梅曼( m a i m a n ) 首先在实验室用红宝石晶体获得了激光输出【l 】， 此后，激光器件和技术获得了突飞猛进的发展，相继出现了种类繁多的激光器。 激光毛化技术始于1 9 8 4 年，由比利时冶金研究中心使用c 0 2 激光器对轧辊进行 毛化率先发明了冷轧辊激光毛化技术【2 】，并做了相关研究。激光毛化技术以其质 量好、效率高以及污染小等诸多优点迅速引起相关企业和研究人员的关注，之后 日本、法国、德国开始引进该项技术【3 ，4 】，激光毛化技术进入了迅猛的发展时期【5 羽。 国内致力研究激光毛化技术始于上世纪九十年代，1 9 9 0 年，由中国科学院力 学研究所与首都钢铁总公司钢研所等多家单位率先开始研究y a g 激光毛化冷轧 辊装置【7 一，并于1 9 9 2 年5 月研制成功，8 月该装置成功应用于带钢大规模生产网。 这是我国首次研究成功拥有自主产权的激光毛化装置，这也拉开了我国在激光毛 化研究的序幕。1 9 9 5 年，华中理工大学与武汉钢铁( 集团) 公司、武汉重型机床 厂合作研制成功了c 0 2 激光毛化装置【l o 】，并于1 9 9 7 年投产应用。2 0 0 6 年，华中 科技大学光电学院陈培峰研究开发采用封离式射频激励c 0 2 激光器【l l 】，通过调制 电路实现激光脉冲的频率和脉宽调制进行轧辊激光毛化，满足了轧辊表面不同粗 糙度加工的要求。 现有成熟的激光毛化技术主要有两类，即：c 晚激光毛化【1 2 ”】和y a g 激光毛 化【1 4 】，但是这两类激光毛化技术都不能实现可控性无序激光毛化。2 0 1 1 年，兰州 理工大学和中国钢研科技有限公司联合研发了光纤激光毛化系统【1 5 ，1 6 】，这套系统 不但克服了传统激光毛化设备晶体热效应严重、体积庞大、稳定性差、不适应大 规模生产要求等诸多缺点，而且实现了可控性无序毛化的技术性突破，满足了实 际生产中无方向性的无序毛化工件的需求。 整套光纤激光毛化系统是由光纤激光光源、机器人、控制系统、毛化机床、 冷却系统等组成，如图1 1 所示，a 图为光纤激光器，b 图为调制参数的主控画 面，c 图为光纤激光射出头，d 图为机器人和毛化机床。整个系统以光纤激光器 作为载体，机器人是执行机构，激光通过光纤输出到安装在机器人头部的射出头 实施毛化作业。与传统激光毛化相比具有明显的技术优势，如柔性化，在二维和 三维空间内实现多种毛化工艺；可以实现无序毛化；灵活性好，功能多，易实现 模块化、集成化；毛化质量好，成本低，效率高等。 光纤激光毛化数值模拟 图1 1 光纤激光毛化系统 本文采用数值模拟的方法模拟光纤激光毛化过程中，激光功率、扫描速度、 脉冲宽度、离焦量等主要参数对毛化熔池的影响，总结各个参数变化时毛化熔池 的变化规律。计算结果可以为光纤激光毛化生产过程工艺参数的确定提供指导， 也可以为光纤激光毛化的组织结构形成提供理论依据。并依据模拟结果利用光线 激光毛化设备对9 c r 3 m o 轧辊进行毛化，研究可控性无序激光毛化工艺。 1 2 光纤激光毛化技术的概述 光纤激光器是利用稀土掺杂光纤作为增益介质的激光器。早在2 0 世纪6 0 年 代初美国光学公司的e s n i t z e r 等人就已经提出了掺稀土元素激光器和放大器的构 想【1 7 】，但是直到2 0 世纪8 0 年代，随着激光二极管泵浦技术的发展和双包层结构 光纤的提出【1 8 1 ，光纤激光器才进入快速发展时期并逐渐得已广泛应用 1 9 , 2 0 。作为 新一代激光技术的代表，光纤激光以其散热快、损耗低、成本低、效率高等诸多 优点开始在毛化行业崭露头角【2 l 】。由于光纤激光毛化技术还处在初期阶段，与传 统激光毛化技术存在差异，下面就对其基本原理及优缺点做简单概述。 1 2 。1 光纤激光毛化的基本原理 光纤激光毛化的基本原理瞄，2 3 1 是将高能量密度( 10 4 10 6 w r a m 2 ) 、高重复频 率( 每秒数千至数万次) 的脉冲激光束聚焦照射到工件表面，使其瞬间熔化，甚 至气化，形成若干个微小的熔池，同时辅以一定成分、一定压力的辅助气体沿一 2 硕士学位论文 定角度侧吹熔池中的熔融金属，使其按照指定要求堆积到熔池边缘，激光作用停 止以后，微坑熔融金属靠轧辊自身热传导作用迅速冷却，形成具有一定形貌的表 面硬化的微坑和坑边凸台结构洲。图1 2 所示，光纤激光毛化的机制图，图1 3 所示，光纤激光毛化表面形貌微观图。 图1 2 光纤激光毛化机制图 图l - 3 光纤激光毛化表面形貌微观图 1 2 1 光纤激光毛化技术的优点 目前用以满足轧辊毛化处理的技术有：喷丸毛化技术、电火花毛化技术、激 光毛化技术等。这些毛化技术相比较，各自有优缺点【2 5 婀，如表1 1 所示。 比较表1 1 中各种毛化技术可知，电火花毛化技术和激光毛化技术是目前的 主要发展方向。电火花毛化技术采用电火花加工技术，其影响毛化效果的工艺参 数、因素很多，并且极其复杂，随机性很强。受其技术水平本身的限制，其毛化 形貌的再现性、保持性、耐磨性均与激光毛化技术有差距。电火花毛化的使用过 程中存在一些致命弱点，一是较高的峰值数p c 值经常达不到要求：二是低粗糙度 时电火花毛化不稳定；三是轧制过程不稳定。激光毛化技术是一种非接触性的毛 光纤激光毛化数值模拟 化技术，可控性、毛化点的均匀性和再现性优点突出。毛化点形状和分布可控， 形貌排列有序，粗糙度及密度可大范围调整，重复性好。毛化过程快速淬火，能 提高毛化点的硬度和耐磨性。毛化设备结构简单，占地面积小，运行稳定可靠， 加工效率高，成本及维护费用低，节能环保。 表1 1 激光毛化技术与传统毛化技术的比较 毛化类型喷丸毛化电火花毛化电子束毛化激光毛化 熔化气化加熔化气化加 毛化原理机械加工熔化气化加工 t工 毛化点分布方 随机随机可确定可确定 式 粗糙度z m 1 5 - - 5o 5 1 2随意o 8 1 0 均匀性与再现 差好好好 性 可控性差 由 好好l 环境污染状况中中低中 设备运行成本 低中高偏高 依赖于喷可毛化高硬 毛化硬度不受限 丸颗粒与 度，高强度，真空条件苛 备注制，快速淬火，提 材料表面耐磨性好的刻 高硬度和耐磨性 相对硬度材料 激光毛化轧辊具有较长的使用寿命，可以提高轧制速度，减少板面擦伤，改 善板型，提高钢板深冲性能和涂镀后的光亮度。目前，激光毛化技术主要采用c 0 2 激光毛化，y a g 激光毛化以及m w j l 副兴起的光纤激光毛化技术。作为新一代激光技 术的代表，光纤激光器与传统的c 0 2 激光毛化、y a g 激光毛化激光器的不同点在 于，光纤激光器工作物质是光纤，谐振腔也是由制作在光纤的光纤光栅组成，因 此与传统激光器相比【2 7 捌，如表1 2 所示，它具有如下显著优点阻3 0 】： ( 1 ) 激光波长短，金属对其吸收率高；金属对激光的吸收率与激光波长的关 系，以铁为例，波长为1 0 6 , u m 时，铁的吸收为0 3 0 ，而波长为1 0 6 z m 时，铁的 吸收约为0 0 6 ，从表1 2 可以看出，y a g 固体激光器和光纤激光器波长比c 0 2 激 光器波长低了一个数量级，金属材料对光纤激光的吸收高出很多，从而降低了对 激光输出功率的要求。 4 硕士学位论文 ( 2 ) 激光增益介质长，因此可以在低抽运功率下运转，能量转化率高； ( 3 ) 具有很大的表面积体积比，因此散热效果好，工作物质的热负荷小， 无需庞大的制冷系统，只需要简单的风冷或水冷即可： ( 4 ) 外形紧凑，易于集成，由于光纤具有极好的柔韧性，因此光纤激光器可 以做的小巧灵活，便于系统间集成，性价比高； ( 5 ) 具有优良的光束质量，容易实现单模、单频运转： ( 6 ) 耦合效率高，利于兼容； ( 7 ) 易获得高功率、高亮度的激光光束，由于光纤的纤芯直径小，芯内容易 形成高功率密度； 表1 2 各种激光毛化技术的比较 比较的参数c t h 激光毛化技术n d ：y a g 激光毛化光纤激光毛化技 技术术 工作物质气体c 0 2固体y a g 激光棒掺杂离子的光纤 激光模式准基模低阶模 多模 激光波长l z m 1 0 61 0 61 0 6 激光功率万瓦级 2 0 0w - 3 0 0 w两万瓦左右 机床要求磨床精度通用车床精度通用车床精度 毛化工艺毛化一液氮冷却一毛化一使用毛化一使用 镀铬一使用 硬度h v大于8 0 0约6 0 0大于8 0 0 粗糙度所 0 3 - 5 00 3 3 00 5 - - 6 0 毛化速度( m 2 h ) 4 0 - 5 01 0 2 04 o 5 0 成本高中低 优点加工速度较快、轧可控性好，波长短吸运行维护成本都 辊表面毛化粗糙度收好，c c d 同轴摄很低，功率大， 较高、斩波器调速像对焦，方便操作、效率高，应用范 方便功率不高，成本低围广，操作方便 光纤激光毛化数值模拟 1 3 开展光纤激光毛化数值模拟的目的及意义 c 0 2 激光毛化和y a g 激光毛化技术自上世纪八十年代发展至今已有近3 0 年 的历程，以其毛化质量好、效率高、污染小等诸多优点已经逐步取代喷丸毛化、 电火花毛化等传统的毛化技术，在各国专家学者的共同努力下，激光毛化技术也 日趋完善，但是，激光毛化技术的理论层面的研究并不完备。事实上，激光毛化 是一个瞬态非平衡的、极不均匀的复杂过程，人们在实验室很难看到其具体过程。 在研究激光毛化时，往往需要做大量的实验从宏观上归纳、总结、分析各个主要 参数对毛化结果的影响，费时费力且有一定的局限性。随着计算机模拟技术的进 步发展，计算速度和计算准度的提高，利用数学方法对激光毛化过程的定量或半 定量认识已成为可能。近年来，伴随着计算方法、计算传热学和计算流体力学等 研究领域的迅猛发展，以及大型工程分析软件的不断完善，使研究工作者对于激 光毛化过程的模拟和仿真有了很大的进步和发展。光纤激光毛化技术正处在初步 发展的阶段，各主要参数对毛化过程的影响都不完善。与传统的c 0 2 激光毛化和 y a g 激光毛化相比，由于其波长短，金属对其吸收率更高，且单频、单模运转等 诸多差异，导致其毛化过程中的热传导也就存在差异，各主要参数对毛化结果的 影响也不尽相同。因此，建立光纤激光毛化的数学模型来预测、分析各主要毛化 参数对毛化结果的影响，优化毛化工艺和探索新的毛化方法都有十分重要的理论 指导意义和实际应用价值。 1 4 激光毛化数值模拟研究现状 在早期对激光热处理的研究中，s c w a n g 和p s w e i l 3 l 】发现，当熔池表面是 平面时，材料吸收激光后的能量分布情况和激光束的能量分布情况基本相同。这 对于建立激光的等效热源模型有着重要的意义。之后，人们在研究热传导模型时， 简化了边界条件，不考虑材料的熔化，这其中以h e c l i n 和t i l a n t h o n y l 3 2 1 的研 究为代表，求解结果表明，材料的温度分布、冷却速度与激光的功率、光斑的大 小以及扫描速度有直接关系。 现阶段，建立一个完善的激光毛化模型，在能量传播的过程中，首先要考虑 的是热传导，当材料熔化以后，要考虑相变潜热和熔池内对流的影响；对于动量 的传播，则需要考虑熔池内溶质的浮力、表面张力、侧吹气体的压力以及熔融金 属气化时产生的反蒸发力的影响。 1 4 1 热源模型的发展 ( 1 ) 高斯热源模型 6 硕士学位论文 图1 4 高斯分布热源模型 z c h a d a 3 3 】等人在研究激光加工时，建立了二维有限差分模型，用高斯热流方 程来描述对流和熔化区间的传热。激光作用在工件表面的热量分布为中心多而边 缘少，这种分布近似的用高斯函数来描述，其模型如图1 4 所示，其表达式为： g ( ，) = 署叫一等 n t ， 式中：q 为热源的有效功率，为a 点与加热斑点中心的距离，为有效半径， 是能量密度下降到峰值5 处的半径值。 ( 2 ) 双椭球热源模型 图1 5 双椭球热源模型 人们在以高斯热源模型计算时发现，材料前半部分的温度不能像实际中那样 发生陡变，为了克服这一缺点，人们又相继提出了双椭圆热源模型、半球形热源 模型及椭球形热源模型等多种热源模型。为了更好地反映出实际加工过程中移动 热源的前端和后端不同的温度梯度分布现象，a g o l d a k 3 4 提出了双椭球热源模 7 光纤激光毛化数值模拟 型，如图1 5 图1 所示。模型前后均为1 4 椭球，分别用f j 、石表示总的输入功 率在熔池前、后两部分的分配指数，且力t 萨2 。 前半部分椭球内热源分布为： m 烘印) = 业g b c 石3 2e 斗等等3 z + v c 厂( z - - t ) 2 ( 1 2 ) 后半部分椭球内热源分布为： 舡朋列) = 黯唧卜等一等一丁3 z 9 - v ( t - - t ) 2 ， ( 1 3 ) 式1 2 、1 3 中的a 、b 、c 可取不同的值，它们相互独立。在加工不同材质时， 可将双椭球分为4 个1 8 的椭球瓣，每个可对应不同的a 、b 、c 值。 ( 3 ) 旋转高斯曲面体热源模型 z _ = ， ，、：) 、l、lk 一 | 、烈q 力 o 峨矗、 图1 6 旋转g a u s s 曲面体热源模型 随着激光器的发展，激光功率不断提高，当高能激光束聚焦在材料表面时， 金属会迅速熔化甚至蒸发气化，吴赳3 5 】等人在考虑了高能束特殊能量分布方式， 在前人研究的基础上，对以往的热源模型进行了改进，提出了新的旋转g a u s s 曲面体热源模型，它是将g a u s s 曲线围绕其对称轴旋转而形成的曲面所围成的 曲面体，如图1 6 所示。其表达式为： + y 2 ) ( 1 4 )l f 一、 q一日一z 3 l 、 二 唱 广“叫i 8 一、盟矿 孙一、 一柑 = z yg 硕士学位论文 其中： 巳= 素 ( 1 5 ) 式中：岛为热源形状集中系数，其值越大，则热源形状细长集中；q 为热源功率； 日为热源高度；r o 为热源开口断面半径。 1 4 2 毛化过程中激光与材料的相互作用 激光入射到金属材料表面，会发生吸收、散射、反射和投射现象，这一过程 满足能量守恒定律： e o = & 射嘎收地如 ( 1 6 ) 式中：昂入射到材料表面的激光能量；射一被材料反射的能量；岛收一被 材料吸收的能量；射激光透过材料后仍保留的能量。 式( 1 6 ) 可以转化为： 1 ：争+ 争+ 争礁+ + 勺 ( 1 7 ) 岛毛晶 4。、7 式中，玮为反射率；为吸收率；勺为投射率。 由于材料多为不透明，因而投射光能量也被吸收，即氏射= o ， 则 1 = 风+ ( 1 8 ) 激光能量被材料吸收后，激光的强度减弱。实践证明，对于各向同性的均匀 物质来说，强度为i 的入射激光通过厚度d 】【的薄层后，其激光强度的相对减少量 d l i 与吸收层厚度d x 比例：d i io cd x ， 即d i l l = 一口出 ( 1 9 ) 式( 1 9 ) q a ，比例系数口即为吸收系数。 设入射到材料表面的激光强度为厶，将式( 1 9 ) 从0 到x 积分，及求得入射到 距表面为x 处的激光强度为 i = i o e 一 ( 1 1 0 ) 式( 1 1 0 ) 称为l a m b e r t - b e e r - b o u g u e r 定律，它说明两点： ( 1 ) 随激光入射到材料内部深度的增加，激光强度将以几何指数衰减。 ( 2 ) 激光通过厚度1 a 的物质后，其光强将减少为1 e 。这说明材料吸收激 光的能力应归结为其吸收系数a r 的数值，常用单位是册一。 在激光加工过程中，随着入射激光功率密度的不同，材料表面发生的物理现 象也不同。例如，当激光功率密度为1 0 3 1 0 4 w c 1 ：1 1 2 时，功率密度较低，大部分 入射光被材料吸收，由外向里材料的温度逐渐升高，只能加热材料，不能汽化和 熔化材料，一般用于表面硬化；当激光功率密度为1 0 4 1 0 6 w e r a 2 时，达到材料 的熔点，材料发生熔融，形成熔池，存在对流传热和动量传输，在激光熔覆和激 9 光纤激光毛化数值模拟 光焊接加工中多为此现象；当激光功率密度为1 0 6 q 0 8 w c m 2 时，材料由熔化到 汽化，激光功率密度再增大，以至产生等离子体，这一过程中蒸汽和等离子体压 力对熔池表面形貌和激光能量分配起着比较重要的作用。 聚焦光束照射在材料表面时，其能量被材料表面所吸收并转化为热，该热传 导在靶材内扩散，从而形成温度场。在激光作用前期的加热过程中，材料为固态， 作如下假设：( 1 ) 材料均匀且各向同性；( 2 ) 材料的光学特性和热力学参数保持 不变，按权重取平均值；( 3 ) 激光脉冲的波形为高斯光束，在脉冲宽度范围内， 激光功率密度不随时间的变化而发生变化；( 4 ) 忽略传热过程中的辐射和对流， 只考虑材料表面向内的热传导。 对于各向同性的均匀材料，热传导偏微分方程的一般形式为 胪鲁= 昙( 七罢) + 昙( 七号 + 昙( 七警) + q ( 毛y 力 c ， 式中，p 为材料密度；c 为比热容；t 为温度；f 为时间；k 为材料热导率；q 为 材料单位时间体积的发热量。 在激光照射靶材时一般不存在体积热，即：q = 0 。根据假设条件，k 为常数， 其值不随温度与位置的变化而变化，则热传导方程为： 去詈= 万a 2 t - i - 萨a 2 t 4 - 4 - 窘 ( 1 t 2 )一一= = i _i ，l d 身氖2西2瑟2 、7 式中：d 材料的热扩散率，且有d ：k p c 式( 1 1 2 ) 按照x 、y 、z 可以分解为 三个相似的式子： 1a 一a 2 五百一可 去鲁= 鲁 n 聊 d 研加2 、。 1 红一a 2 t 五百一可 激光毛化时，材料表面加热区的横向尺寸远大于加热深度，可以近似地按一 维热传导处理，并可把材料视为表面被均匀加热的半无限大物体。将式( 1 1 3 ) 简化为一个方程： 去要：等 ( 1 1 4 ) d 西如2 、7 式中：z 为垂直于轧辊表面方向的距离，假设光能快速转换成热，且 q ( z ，t ) = a f ( t ) e x p ( - a t z ) ( 1 1 5 ) f ( r ) 为照射在材料表面的激光功率密度，口为材料对激光的吸收系数。 1 0 硕士学位论文 啦) = 学嘶b ) ( 1 1 6 ) 式中初弦为互补误差函数，且有 i e r f c ( x ) = p 咖o ) 凼e r f c ( z ) = 2 ；p 一，凼 ( 1 1 7 ) ； ： v 3 ； 对于基膜高斯光束，其功率密度分布为： 砸，t ) = 砷t ) e x p ( 一虿1 , 2 ( 1 1 8 ) 式中，啡为激光光束半径；，为考察点至光斑中心距离，e ( 0 ，r ) 为激光光斑中心 功率密度。 由( 1 1 6 ) ，( 1 1 7 ) ，( 1 1 8 ) 可得高斯光束加热材料时温度分布为： 嘶石沪赤一叶南一磅r 2 j ( 1 1 由于高斯光束的光强不随时间变化，即：e ( o ，d = e 。，则有 砷 扣舄响叶南一毒j 。2 从式( 1 2 0 ) 看出，熔池沿深度方向的温度分布是不均匀的。在z = o 处其温 度分布最高，而且熔化的时间最长；在熔池底部液固分界面附近，由于温度最低， 几乎只有瞬间的熔化。在影响熔池深度方向上的温度分布的诸多因素中，辐照光 束的功率密度所起的作用最为重要。功率密度越大，其沿深度方向上的温度梯度 越大。 当z = 0 时，材料表面的温度分布为： r1 m 石f ) _ 舞响叶舞j 。2 1 ) 光斑中心的温度为： 哪 f ) = 黠一等 ( 1 2 2 ) 在分析材料的熔化过程时，需要考虑流体对流中的能量和动量守恒。分析时 也需要作一些假设：( 1 ) 假定材料在温度变化时各项热力学参数不变，取过程中 的平均值；( 2 ) 忽略金属固液相变的潜热；( 3 ) 激光功率密度分布不随时间的变 光纤激光毛化数值模拟 1 4 3 数值模拟过程中的影响因素 ( 1 ) s c w a n g 和p s w e i 3 l 】在研究激光加工的过程中发现，熔池内能量的分 布和激光束能量分布状况基本相同，h e c l i n 和t r a i l t h o n y 3 2 】在此基础上，简化 边界条件，不考虑材料的熔化，在计算结果中发现，材料的温度分布，冷却速率 与激光功率、光斑直径、激光扫描速度有直接关系。但是，由于模型过于简单， 忽略了材料熔化时的相变潜热，未考虑熔池内浮力、表面张力以及侧吹气体的压 力等诸多因素的影响p 6 ，所得出的结论过于模糊，与实际结果存在较大的误差。 ( 2 ) s c h s u 和r m e h r e b i 趾p 7 】在前人研究的基础上加入了对流项，建立了 一个三维稳态模型，用差分法来求解得出了温度场、流场、冷却速率以及熔池的 形状。为了研究方便，模型没有考虑相变潜热，并且将熔池表面视为了平面，随 后比较有代表性的模型中都考虑了材料熔化时的热流耦合模型，这其中s k o u 和 y h w a n g 3 s 等人又在对流项中增加了浮力的影响，并计算了熔池内的温度场、流 场以及熔池形状，结果与实验有比较好的相符。 ( 3 ) 相变潜热对材料内部能量传导的影响是比较大的，因此在研究中应该将 其考虑进去，c l c h a n 和j m a z u m d e r t 3 ”o 】等人又先前的模型之中加入了相变潜热 的影响，建立起一个稳态的轴对称模型，并将扫描速度的影响也考虑进来，他们 计算出的熔池宽度和熔池深度与实验相差很小。在我国，清华大学的叶晓虎【4 l 】等 人则采用了分区法，将极薄的、流体速度急剧变化的表层单独作为一个子区域进 行求解，而对其他的包括固、液混合区在内的其他区域则采用了液相分数进行统 一求解，然后将不同子区域求解的结果进行耦合，得到的结果与实验符合较好。 ( 4 ) 在激光毛化加工过程中，需要使轧辊表面形成一定凹凸不平的形貌，因 此，将熔池表面当做自由表面来求解，研究才具有更直接的意义。另外，在激光 毛化时，还需要考虑辅助气体、金属蒸发反冲压力与熔池液面的相互作用。 v a t s y a 【4 2 】等在n a v i c r - s t o k c s 方程中考虑了熔液压力的影响，结合对熔质流动和对 自由表面形成有重要作用的边界条件，对熔池中流动模拟的结果与实测情况吻合 较好。而上海交大的万大平【4 3 】等人则建立了一个考虑热传导、对流传热和熔池表 面形貌变化等诸多因素的三维瞬态模型，他们采用了焓法处理相变问题，并采用 流体体积( v o f ) 法分析了自由表面的演化，数值模拟的结果与实际情况基本一 致。 1 5 主要研究内容 目前，国内在大中型轧辊毛化时，仍然是落后的喷丸毛化技术和昂贵的电火 花技术为主，而作为比较先进的激光毛化技术仍然处在起步阶段。现有的成熟的 激光技术主要有：c 0 2 激光毛化和y a g 激光毛化，但是这两类激光毛化技术都不 1 2 硕士学位论文 能实现可控性无序激光毛化。兰州理工大学和中国钢研科技有限公司联合研发的 光纤激光毛化系统，克服了传统激光毛化设备的诸多缺陷，为激光毛化技术的推 广和发展拉开了序幕。 本文的主要工作包括： ( 1 ) 建立移动热源下激光作用的数值模拟模型，利用计算传热与流体动力学 的大型软件p h o e n i c s ，进行二次开发，分别在q1 控制卡和g r o u n d 文件中 编制相应的接口程序，进行光纤激光毛化的数值模拟，分析、总结各主要参数， 包括：激光功率、扫描速度、脉冲宽度以及离焦量等，对毛化熔池温度场和熔池 大小的影响。 ( 2 ) 利用兰州理工大学和中国钢研科技有限公司联合研发了光纤激光毛化系 统对9 c r 3 m o 轧辊进行毛化，并根据毛化模拟结果中各主要参数的影响规律，探 索、研究可控性无序激光毛化工艺的具体方法。 光纤激光毛化数值模拟 第2 章p h o e n ic s 简介 本文在光纤激光毛化数值模拟时采用了p h o e n i c s 软件，p h o e n i c s 是 p a r a b o l i ch y p e r b o l i co re l l i p t i cn u m e r i c a li n t e g r a t i o nc o d es e r i e s 几个字母的缩写， 这意味着只要有流动和传热都可以使用p h o e n i c s 来模拟计算，该软件是由英国 皇家学会d b s p a l d i n g 教授及4 0 多位博士推出的用于计算流体流动、传热和传 质的通用软件，是世界上第一款投入市场的计算流体力学通用软件。这款软件是 可以模拟传热、流动、燃烧等过程的，解决由部分控制方程、传热方程、质量和 动量传输方程组成的方程组。该软件采用有限容积法( f i n i t ev o l u m em e t h o d ， n 门讧) 来实现控制方程的离散化，差分格式可以在给定范围内任意选择，对于强 烈耦合的流场和压力场，采用s i m p l e s t 算法来求解其代数方程组。该软件也具 有较强的前处理和后处理能力，便于使用者对其计算结果进行直观地阅读和分析。 下面对p h o e n i c s 软件的结构、特点和计算方法等进行简单介绍。 2 1p h o e n i c s 软件的特点 与通用计算流体传热学的软件相比，p h o e n i c s 拥有自己独特的功能： ( 1 ) 开放性：p h o e n i c s 最大限度地向用户开放了程序，用户可以根据 需要任意修改添加用户程序和用户模型。p l a n t 及i n f o r m 功能的引入使 用户不再需要编写f o r t 黜蝌源程序，g r o u n d 程序功能使用户修改添加 模型更加任意和方便。i n f o r m ：用户接口功能，完成用户数学表达式的输 入，i f 判断等功能。方便了用户控制自定义的边界条件、初始条件、材料物 性等参数的输入。 ( 2 ) 多种软件接口：p h o e n i c s 可以读取c a d 软件、p r o e 软件等多 种软件图形文件。 ( 3 ) 软件自带1 0 0 0 多个例题，附有完整的可读可改的原始输入文件， 并有大量的模型选择，包括2 0 多种湍流模型，多种多相流模型，多流体模 型，燃烧模型，辐射模型等。 ( 4 ) 计算流动与传热时能同时计算浸入流体中的固体的机械和热应 力。 ( 5 ) p h o e n i c s 独特的网格处理技术，特别对于c a d 图形的导入，网 格能自动生成，并可以局部细化网格划分，增加计算的精确性。 ( 6 ) 自动收敛控制：无论输入参数是否充分和一致，都能保证结果具 1 4 硕士学位论文 有较好的收敛效果。 2 2p h o e n l c s 软件的结构 匝圆区圃匾圊 图2 1p i t 0 e n i c s 的基本结构 p h o e n i c s 软件的程序由前处理、求解器和后处理模块构成，图2 1 所示即 是整个软件的整体结构，主要有三大功能：问题定义、模拟计算、模拟实现。前 处理s a t t l l i t e 是一个数据准备单元，它通过读取q 1 模块中对所求解问题定义 的数据并能够创建e a r t h 可以阅读的数据文件。求解器e a r t h 对所建的模型 进行处理。在处理复杂问题时，e a r t h 通过p h o e m c s 建模界面处理获得的初 步数据，后处理可以调用v r - v i e w e r 、p h o t o n 、a i 丌o p l o t 等不同的后处理 程序得到不同的结果处理文件。通过v r - - v i e w e r 和p h o t o n 的处理，可以得 到彩色轮廓图、矢量图和范围分割图等；a u t o p l o t 可以对数据进行描点连线 和比较；需要加入特殊边界条件时，可以e a r t h 的子程序g r o r n d 进行编辑， 在程序运行时，通过e a r t h 调用、处理，即可完成计算。 2 2 1q 1 模块 q 1 文件是前处理的主要文件，包括2 4 个与g r o u n d 对应的g r o u p ，通过 对v r v 】e w e r 界面的操作，可以对问题进行简单的定义。下面对g r o u p 进 行简要的介绍i g r o u p l 主要定义问题的名称，变量以及变量的类型；g r o u p 2 定义非定常 1 5 光纤激光毛化数值模拟 计算的相关参数；g r o u p3 巧主要对计算区域网格进行划分，并对相关网格参数 进行设定；g r o u p 7 定义需要求解的变量和需要存储的变量；g r o u p 8 选择方程 中需要保留的项，包括：瞬变项，对流项，扩散项，源项等；g r o u p 9 定义介质 的物理属性，如：密度r h o l ，粘性e n d ( 层流) ，e n u t ( 湍流) ，热导系数、比 热，激活湍流模型( t u r m o d ) 等；g r o u p l 0 定义多相流的能量交换；g r o u p l l 给定变量以及多孔度的初场，并可以设定自启动功能，变量的自启动功能对于强 的非线性问题有利于迭代的收敛；g r o u p l 2 用于调节对流和扩散的特性； g r o u p l 3 边界条件和特殊源项的设置，下面关于调用子程序g r o r n d 时会详细 介绍；g r o u p l 4 对于抛物型问题可以给定下游的压力条件；g r o u p l 5 设置外层 迭代( s w e e p ) 的次数；g r o u p l 6 设定内层迭代( i t e r a t i o n ) 的次数；g r o u p l 7 规定松弛因子：线性松弛因子( l i n r l x ) 和虚拟时间步松弛因子( f a l s d t ) ；g r o u p l 8 对迭代变量的幅度进行限制，便于收敛：g r o u p l 9 用于q 1 和g r o r n d 之间进 行数据传递，u s e g r d = t ，e a r t h 访问g r o m d f o r ，u s e g r x = t ，e a r t h 访问g - r e x 3 f o r ： g r o u p 2 0 - - - 2 4 主要控制数据的输出，图形的输出以及程序的调试功能。 2 2 2g r o u n d 模块 g r o r n d 是一个与q 1 对应的模块，其结构与q 1 一致，它也有2 4 个g r o u p 。 g r o r n d 是一个基于f o r t r a n 语言的e a r t h 的子程序，具有向用户开放的特 点，可以通过该程序中专用的模块实现与主程序的衔接，它的功能和q 1 里的2 4 个g r o u p 一一对应。当q 1 中的p i l 语言不能完成对复杂边界条件或源相的定 义时，可在这个子程序中利用f o r t r a n 语言编辑，加入所需要的特殊边界条件， 以便由q 1 通过e a r t h 调用来完成复杂问题的模拟。q 1 中调用g r o u n d 的p i l 语句编辑在g r o u p l 3 中，标准形式为： p a t c h ( n a 砸，嗍，i x f 9i x l ，i y f , i y l ，i z f , i z l ，n er r l ) c o v a l ( n a n 匝，p h i ，f i x v a l f i x f l u ，g 瑚) 1 2 ) 其中p a t c h 语句表达在什么地方，什么时候用此边界条件，其中n a m e 表 示规定边界的名称；n 俾e 表示边界的类型；i x f 表示单元格的起点；i x l 表示 单元格的终点；f i y l , i z f , i z l ，表示的意义可以依次类推。c o v a l 语句则表达 是什么变量( 系数变量还是值变量) ，其中n a m e 和变量p h i 与p a t c h 命令中相 匹配，f i x v a l 表示给定边界的固值。然后在对应的g r o u n d 的g r o u p 中应当 输入对应的f o r t r a n 语句。 2 2 3 边界条件的处理 在p h o e n i c s 模拟过程中，边界条件的加载可以通过v r 窗口菜单编辑和在 q 1 中填写p i l 命令来完成，对于复杂的边界条件的加载可以在q 1 及g r o u n d 1 6 硕士学位论文 中的g r o u p l 3 中编译命令来实现。 p h o e n i c s 提供的边界条件的类型主要有： ( 1 ) 固定值，f i x e d v a l u e ： ( 2 ) 固定流( 源相) ，f i x e df l u x f i x e d $ o u i v 洽| ( 3 ) 线性边界条件，l i n e a rb o u n d a r yc o n d i t i o n ： ( 4 ) 非线性边界