双相钢激光热处理时激光吸收率的测定

舍舍舍舍舍舍全测试与分析一双相钢激光热处理时激光吸收率的测定黄金秋，顾剑锋上海交通大学材料科学与工程学院，上海200240摘要论述了积分球法和集总参数法测定激光吸收率的原理。采用这两种方法测定了双相钢在激光热处理过程中对YAG激光的吸收率。试验结果表明，积分球法和集总参数法测得的激光吸收率数值非常接近，双相钢的激光吸收率与温度相关。关键词激光吸收率；双相钢；积分球法；集总参数法中图分类号TG15699文献标识码A文章编号10081690201404005204LASERABSORPTIVITYMEASUREMENTSOFDUALPHASESTEELDURINGLASERHEATTREATMENTHUANGJINQIUGUJIANFENGSCHOOLOFMATERIALSSCIENCEANDENGINEERING，SHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITY，SHANGHAI200240，CHINAABSTRACTTHEPRINCIPLEOFLASERABSORPTIVITYMEASUREDBYTHEINTEGRATINGSPHEREMETHODANDLUMPEDPARAMETERMETHODWASDISCUSSEDTHEYAGLASERABSORPTIVITYOFDUALPHASESTEELDURINGLASERHEATTREATMENTWASMEASUREDBYTHESEMETHODSTHETESTRESULTSSHOW，THELASERABSORPTIVITYVALUESMEASUREDBYTHEINTEGRATINGSPHEREMETHODANDLUMPEDPARAMETERMETHODAREVERYCLOSE，ANDTHELASERABSORPTIVITYOFTHEDUALPHASESTEELISTEMPERATURERELATEDKEYWORDSLASERABSORPTIVITY；DUALPHASESTEEL；INTEGRATINGSPHEREMETHOD；LUMPEDPARAMETERMETHOD在双相钢的激光热处理中，照射到双相钢上的激光一部分被吸收，另一部分被反射。而激光热处理的本质是利用材料吸收到的激光能量来改变材料的物理化学结构从而改善材料的加工性能。因此对双相钢激光吸收率的研究非常重要，其决定了在激光热处理中，工件实际吸收到的激光能量的多少，对准确计算激光热处理过程中双相钢钢板上的温度场以及激光热处理工艺参数的优化具有重要的参考意义。目前，定量测定材料激光吸收率的方法主要有两类。第一类是间接计算法，即通过测定材料的激光反射率来求出吸收率，如利用积分球或量热计测反射率；第二类是从量热学的角度出发，将材料吸收的光能等效为一定的热流注入，通过测量材料的温度变化并进行相应的热力学计算而得到吸收率，一般是利用集总参数法来进行激光吸收率的计算。本文分别采用积分球法和集总参数法测定双相钢DP1180在激光热处理过程中的激光吸收率。1积分球法测激光吸收率11积分球法的原理及试验方案积分球是一个内壁涂有无波长选择性的漫反射涂层的中空球体，其作用是将光辐射均匀地散射在球内并在探测器端口将其传导出去J。如图1所示，沿积分球的直径方向有两个正方形开口，一个为人光口，另一个为反光口。测定固体试样的反射率时，将试样放置在反光口的位置处。如果样品透明或半透明，则一般需使用副白板放置在样品的后面做衬底之用；如果试样不透明，则无需使用副白板。在测定试样的反射率时，具有各向异性的光束在积收稿日期20140120作者简介黄金秋1987一，女，江苏常州人，硕士研究生，主要研究方向为金属材料的激光热处理、激光熔覆。联系电MAILHJQL106GMAILCON通讯作者顾剑锋1970一，男，江苏江阴人，教授，博士生导师，主要研究方向为材料热处理数值模拟及其工程应用等。联系电话02134203743，EMAILGUJFSJTUEDUEN52。热处理2014年第29卷第4期分球体内进行全方位的漫反射，最后平均化了的光信号被置于积分球底部或上部的光电二极管接收并加以一定的放大，将光信号转换成可读取的电压信号。光电二极管图1积分球的原理示意图FIG1SCHEMATICOFTHEINTEGRATINGSPHERE采用积分球法测定激光吸收率是通过测量试样对激光的反射率来间接计算出吸收率。试样对激光的反射系数可被定义为尺PREFUREF式中R为材料对激光的反射系数；P为激光的反射功率，W；P入射激光束的功率，W；UR为光电二极管输出的反射激光对应的电压值，V；UO为相同入射激光功率条件下，将试样替换成钼一金镜理论上为100镜面反射时测得的电压值，V。因此试样的激光吸收率OT为，U。F一卜2试验中将DP1180钢板切割成规格为3CMX3CM的正方形试样，放置在积分球的反光口处，在试样背面焊上热电偶以记录激光热处理过程中试样上的温度变化曲线，将试样未焊热电偶的一面朝向YBYAG激光束入射的方向。由于双相钢不透明，因此不需要使用副白板。试验中保持激光辐照时间和激光光斑大小不变，改变激光功率大小，进行两组对比试验，以重复验证测量结果的准确性。在试验完毕后，将光电二极管输出的电压值代入式2，即可得到DP1180对激光的瞬时吸收率。12试验结果分析由于光电二极管的数据采集频率很高，一组试验约含25000个数据，由原始数据处理得到的结果并不是一条平滑的曲线。使用ORIGIN软件对原始数据进行平滑处理，得到如图2所示的两组不同激光功率下的激光吸收率曲线。结果表明，在激光功率为1750W、2000W时，双相钢的激光吸收率的变化规律是一致的，其并不是一个定值，而是随着温度变化而变化的。当温度小于400时，激光吸收率随着温度升高而降低，直至400左右出现拐点。因为当温度达到400左右，即锌的熔点时，DP1180的防腐电镀锌涂层开始熔化变成液态，一定程度上改变了双相钢试样对激光的吸收情况。当温度继续升高，双相钢试样对激光的吸收率缓慢下降直至基本保持不变，大小稳定在03左右。L_OO806O4O2OO0LOO2003O040O5O06OO700800TEMPERATUREC图2积分球法测得双相钢的激光吸收率FIG2LASERABSORPTIVITYRATEOFDPSTEELMEASUREDBYTHEINTEGRATINGSPHERE2集总参数法测激光吸收率21集总参数法的原理及试验方案当热量传人有一定体积的固体时，固体内各点的温度一般互不相同。然而当固体内部的导热热阻很小且远小于固体表面与周围环境的换热热阻或当固体的几何尺寸很小时，固体内部的温度趋于一致，以至可以忽略不计内部热阻所引起的各点之间的温度差异，认为整个固体在同一瞬间具有相同的温度。温度仅是时问的函数，而与几何位置无关，从而忽略固体内部的温度梯度，将三维的传热问题简化为质点传热问题，这种分析法称为集总参数法。在激光加工中一般认为材料吸收的光能都转化为热能J。在激光热处理中，设T0时，试样有均匀的初始温度，随后辐照到试样表面的激光光能等效为一连续热流P。输入试样。根据传热学理论可得，R|、PMCPLM1TTO、UHEATING714一30式中M为试样的质量，KG；H为对流换热系数，WMK；为对流换热面积，M；A为周围介质的导热系数，WMK；A为热传导的换热面积，热处理2014年第29卷第4期53。日0_吾SC一M；6为周围介质的厚度，IN。等式右边的第一项为输入热流后试样内能的增加；第二项为试样与周围大气之间的对流热损；第三项为试样与周围介质接触而引起的热传导热损；第四项为试样因热辐射而产生的热损。由于在激光加工过程中，辐射热损通常可以忽略，故上述模型中可忽略第四项。令等效换热系数SSHA4则式3可以简化为PILTS715可以通过关闭激光后，由热电偶测得试样的冷却段曲线求得5。令式5中P0，则可得到试样冷却时的微分方程为筑一STTO6微分方程6的解为TOCEMCP7其中C为积分常数，两边取对数得INTTO一LNC8，D使用MATLAB软件对热电偶测得的冷却段曲线取。，段进行曲线拟合，发现使用4次多项式拟合较合适。在计算出拟合后的曲线后，就可很容易地求出曲线的斜率一，即可求得5，且JS为ML,P一个和温度有关的变量。将S代入式5，即可求0246TIMES得P。由于数据波动，若对每点都求DTDT，会出现部分负值，故在此部分计算中，每隔5个点，即每005S对应一个温度，得到一组新的数据。用这组数据便可求出合理的DTDT值，从而求出P。最后根据吸收率的定义OLPP。即可求得材料对激光的吸收率。试验中将待测试样10MM10MM放入硅藻土制成的绝热盒中。然后将装有DP1180试样的绝热盒固定在工作台的支架上，使激光垂直入射到试样表面。将热电偶焊在试样背面，与试样直接接触以记录温度变化曲线。图3为集总参数法测定双相钢试样对激光吸收率的试验装置图。绝缘盒模数转换器图3集总参数法测量激光吸收率的试验装置示意图FIG3LUMPEDPARAMETERMETHODUSEDFORMEASURINGTHELASERABSORPTIVITY22试验结果及分析本文以DP1180为试样，利用热电偶和计算机数据采集系统进行温度采集，得到试样在不同激光功率下激光辐照加热及冷却整个过程中的温度变化曲线，如图4所示。O246TIMESA1500WB1750W图4试样在不同功率的激光辐照加热及冷却过程中的温度变化曲线FIG4TEMPERATURECURVESOFTHESPECIMENDURINGLASERIRRADIATIONHEATINGANDCOOLINGPROCESSINDIFFERENTLASERPOWERS使用MATLAB计算得到的结果如图5所示。光吸收率随着温度的变化而变化。在激光辐照初图中红色的曲线对应于激光功率1500W时的激光期，激光吸收率约为06，随后双相钢的激光吸收率吸收率结果，绿色的曲线对应于激光功率1750W随着温度升高而降低，直至400CC左右出现拐点。时求得的激光吸收率结果。结果表明，DP1180的激当温度继续升高时，双相钢的激光吸收率基本保持54。热处理2014年第29卷第4期OOOOOOO0如加PJ玎瓮器AIIIJOOO0OOO鲫如如加P2暑匹3D霉舍全全舍舍舍一测试与分析129级矿车制动盘螺栓断裂失效分析姜招喜国家标准件产品质量监督检验中心，浙江海盐314300摘要材料为SCM435钢的129级六角头螺栓服役42H后发生断裂。为了揭示螺栓断裂的原因，采用光电直读光谱仪、光学显微镜、扫描电镜和测氢仪对断裂的螺栓进行了化学成分、宏观和微观等分析。研究结果表明，螺栓断裂是氢致延迟断裂。关键词SCM435钢；氢含量；氢致延迟断裂中图分类号TG1152文献标识码B文章编号10081690201404005503FAILUREANALYSISON129GRADEHEXHEADBOLTOFMINECARBRAKEJIANGZHAOXICHINANATIONALCENTERFORQUALITYSUPERVISIONANDTESTOFSTANDARDPARTS，HAIYAN314300，ZHEJIANGCHINAABSTRACTTHE129GRADEHEXHEADBOLTS，MADEOFSCM435STEEL，FRACTUREDAFTERBEINGINSTALLEDANDLAIDUPFOR42HTHECHEMICALCOMPOSITIONANALYSIS，MACROANDMICROANALYSISESOFTHEFRACTUREDBOLTWEREPERFORMEDBYUSINGPHOTOELECTRICDIRECTREADINGSPECTROGRAPH，OM，SEMANDHYDROGENTESTERTOREVEALCAUSEOFTHEBOLTFRACTURETHERESULTSSHOWTHATTHEBOLTFRACTUREISAHYDROGENASSISTEDDELAYEDCRACKINGKEYWORDSSCM435STEEL；HYDROGENCONTENT；HYDROGENASSISTEDDELAYEDCRACKING收稿日期20130530作者简介姜招喜1957一，男，汉族，浙江海盐人，工程师，主要研究方向为金属材料检验检测。联系电话057386180129，EMAILJZX636783126CON稳定，大