激光冲击强化316L不锈钢温度场仿真研究.pdf
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1、2023年6 月第8 卷2 期西安交通工程学院学术研究Academic Research of Xian Traffic Engineering InstituteJun.2023Vol.8No.2激光冲击强化316 L不锈钢温度场仿真研究薛彪(西安交通工程学院陕西西安7 10 30 0)摘要:本文基于热传导理论建立了激光冲击强化316 L不锈钢圆形薄板的理论模型,并采用有限元分析法模拟了激光冲击强化过程中材料内部温度场分布,分析过程考虑了材料热物性参数的非线性和不同激光参数对温度场分布的影响。当激光作用于半径为50 mm,厚度为2 mm的316 L不锈钢圆形薄板,激光中心功率密度分别为8 0
2、 0 W/cm、90 0W/cm、10 0 0 W/c m、110 0 W/c m、12 0 0 W/c m,激光光束半径为15mm,作用时间为2.5s,中心点最高温度分别为668.14、7 36.8 1、8 0 2.7 4、8 6 6.7 4、930.8 2;当激光中心功率密度为10 0 0 W/cm,作用时间为2.5s,激光光束半径分别为5mm、10 m m、15m m、2 0 m m、2 5m m,中心点最高温度分别为496.7 3、7 11.17、8 0 2.7 4、8 46.41、870.06。温度场模拟结果表明:沿径向,激光作用中心点温度最高,随着距离中心点越远,温度迅速下降;沿轴
3、向,距离激光作用面越远,温度逐渐降低;激光中心功率对升温范围的影响较小,对中心点温度的影响较大,激光中心功率增大时,中心点温度升高较快;光束半径增大时,材料的升温范围随之增大,中心点温度逐渐增大。关键词:激光冲击强化;有限元分析;温度场中图分类号:O439;TN249文献标识码:ASimulation Study on Temperature Field of 316L Stainless SteelStrengthened by Laser ShockXUE Biao(Xian Traffic Engineering Institute,Xian Shaanxi 710300,China)A
4、bstract:This article establishes a theoretical model for laser shock strengthening of 316L stainless steel circular thin plates basedon heat conduction theory,and uses finite element analysis to simulate the internal temperature field distribution of the materialduring the laser shock strengthening
5、process.The analysis process considers the nonlinearity of material thermophysical parametersand the influence of different laser parameters on the temperature field distribution.When the laser is applied to a 316L stainless steelcircular thin plate with a radius of 50mm and a thickness of 2mm,the l
6、aser center power densities are 800 W/cm,900 W/cm?,1000W/cm?,1100 W/cm?,and 1200 W/cm?,respectively.When the laser beam radius is 15mm,the action time is 2.5 seconds,and themaximum temperature at the center point is 668.14C,7 36.8 1C,8 0 2.7 4,8 6 6.7 4,a n d 930.8 2 C,r e s p e c t i v e l y;W h e
7、n t h e p o w e rdensity of the laser center is 1000 W/cm?,the operating time is 2.5 seconds,and the laser beam radii are 5mm,10mm,15mm,20mm,and 25mm,respectively,the maximum temperature at the center point is 496.73,7 11.17,8 0 2.7 4,8 46.41,a n d 8 7 0.0 6.The temperature field simulation results
8、show that along the radial direction,the temperature at the center point of laser action is thehighest,and as the distance from the center point increases,the temperature rapidly decreases;Along the axis,the farther away fromthe laser action surface,the temperature gradually decreases;The influence
9、of laser center power on the heating range is relativelysmall,but it has a significant impact on the center point temperature.When the laser center power increases,the center pointtemperature increases faster;As the beam radius increases,the heating range of the material increases,and the center poi
10、nttemperature gradually increases.Keywords:Laser Shock Strengthening;Finite Element Analysis;Temperature field引言激光冲击强化技术具有功率高、加工灵活、操作方便、无污染等优势,因此被广泛应用于工业制作者简介:薛彪(1994-),男,助教,硕士,主要从事激光器及其应用方面研究。5造领域 1-2 。激光冲击强化技术是采用高功率激光作用于工件使得工件表面快速气化产生高压等离子体,等离子体继续吸收激光的能量之后升温膨胀,产生高强度冲击波作用于工件表面,大幅度提高工激光冲击强化316 L不锈钢温
11、度场仿真研究件的疲劳寿命 3-6 。激光冲击强化是一个比较复杂的过程,目前大量实验研究表明激光冲击强化能够提高零件的疲劳寿命、热稳定性、焊接应力改善、材料的损伤修复、表面强化等方面 7-9。不同的激光参数对金属材料内部的温度分布、残余应力分布有较大影响,提高激光功率会增加残余应力的平均值、增加激光光束半径可有效缓解残余应力。数值模拟研究一直作为激光冲击强化的研究热点,可以预测分析零件的温度场、残余应力等,进而指导激光参数的选择 10-15。目前,大部分的数值模拟仿真研究在建立模型过程中进行了简化,忽略次要因素的影响。本文采用有限元数值模拟的方法分析激光作用于316 L不锈钢材料的温度场,在研究
12、过程中考虑温度对材料热物性参数影响、热对流、热辐射等因素,并分析了不同激光参数对温度场的影响。1模型建立1.1 材料介绍实验采用材料为316 L不锈钢,316 L不锈钢是一种低碳型不锈钢,在化工、医疗、食品加工、造船等行业有着广泛的应用,具有优异的耐腐蚀性、耐高温性、易加工等特点 16-17 。采用激光冲击强化后,可使得其硬度增加,同时获得更高的拉伸强度和屈服强度。采用激光作用金属材料提高力学性能,应控制材料表面温度低于熔点(139 8)。316 L不锈钢的材料的热物性参数随温度变化呈现非线性,其热物性参数如表1所示。表1316 L不锈钢热物性参数温度20T/(C)比热容c/(J/(kg.C)
13、导热系数k/(J/(kg:)温度T/(C)比热容c/(J/(kg.C)导热系数k/(J/(kg.C)密度p/(kg/m)零件内部的温度场与其形状有较大的关系,本文模拟激光作用于圆形薄板零件的上表面,分析其温度分布。激光加工316 L不锈钢工件几何模型如图1,激光束为高斯光束,沿Z轴负方向垂直作用于材料上表面中心点0 处,为激光光束半径。模型尺寸:半径大小b为50 mm,厚度h为2 mm。h图1激光加工工件几何模型1.2热传导理论模型采用有限元法分析激光作用金属材料的温度场问题,热量的产生是由于材料吸收激光能量转化为内能,可将此问题看为内部含有热源的热传导问题,同时在传热过程中假设材料为各向同性
14、材料。基于基本假设,建立热传导理论模型,列出顺态热传导方程的有限元形式,确定初始条件和边界条件,采用有限元分析法模拟材料内部的温度场。瞬态热传导方程的有限元形式:将材料受激光作用后内部的产热看作为内部热源,确定内部包含热源的偏微分方程如公式1:VkVT+Q=pc-at其中,k为热传导系数、P为密度,c为比热容,其参量值表1已经给出。Q为激光作用时产热的热源分布。激光分布为高斯光,将产生的热源看作为高斯热源,热源分布如公式2 和公式3:20040047751512.616.380090064066925.526.480008000bXT60070055058219.822.61000120067
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