激光冲击强化316L不锈钢温度场仿真研究.pdf

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 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)Abstract: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 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 laser 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 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 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 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 pointtemperature 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)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3：20040047751512.616.380090064066925.526.480008000bXT60070055058219.822.61000120067573927.529.780008000(1)X+y2AP22X2e611元02P23.9I。=1430其中，A为材料的吸收率取值为0.3，为激光光束半径，P为激光峰值功率；I。为激光中心处760功率密度。初始条件：整个零件暴露于空气中，与空气直31.7接接触，激光作用之前的初始状态材料内部温度均匀与环境温度相同，取值2 0。如公式4：8000T(x,t)l=0=20C边界条件：在激光作用于零件上表面的整个过程中，零件与空气之间存在自然热对流和热辐射，零件温度高于空气温度，会使得热量损失。热对流损失的热量如公式5，热辐射损失的热量如公式6：(2)(3)(4)6温度()激光冲击强化316 L不锈钢温度场仿真研究q=hA(Tsurace-Tanambient其中，h为零件与周围空气的换热系数，A为零件与外界空气接触面的面积，Tsurface为零件表面温度，Tambin为外界空气的温度。为玻尔兹曼常数，为放射率，F形状系数，材料表面较为平整，取1。1.3有限元分析采用有限元法分析零件内部温度场的过程为瞬态温度场分析过程，整个过程相对复杂，需要将整个零件在空间上切分为多个微小的单元，并且在时间域上进行离散化，对每一个单元不同时间的温度进行求解。将零件在空间上切分表示为公式7：Ti+!2IpeNdxdyxaxayaye=l2eate=l2eMTfddy-2I Nioddy+JNiqdr=0e=lrgee=l2e(i,j=1,P)式中，M为单元总数；P为每个单元上的节点数。在对零件进行有限元切分时根据材料的对称性和热源的对称性采用圆柱壳切分法。有限元求解瞬态温度场过程需要对时间再进行离散化，之后在空间域进行一步步求解。求解过程为多个小的时间段，对于相邻两时间段的过程，前一时间段的求解结果作为后一时间段求解的初始条件。由于材料热物性参数的非线性，需要将时间域分为较小的步长，本文取0.0 1s。2有限元模拟结果当使用Nd:YAG激光器作用于零件上表面时，激光器波长为1.0 6 um，基于有限元计算理论，采用ANSYS数值模拟得到圆形薄板的温度分布。激光光束半径选取为15mm，中心功率密度选取为10 0 0 W/cm，作用时长分别取0.5s、1.0 s、1.5s、2.0s、2.5s。根据模拟结果得到的零件上表面沿径向（X轴）的温度分布如图2 所示。温度（）802.7470060050040030020010020-50-37.5-25-12.5图2 不同作用时长径向温度分布沿轴向（Z轴）的温度分布如图3所示。802.74(5)700(6)600500400300200139.2400.25图3不同作用时长轴向温度分布分析作用2.5s后温度分布可知，零件上表面（激光直接作用的表面）中心点温度最高，为8 0 2，沿着径向远离中心点，温度迅速下降，距离中心点越远温度下降越慢，最终材料边缘温度接近于环境温度，整体呈类高斯分布，对零件温度影响较大的范围在半径为2 5mm的圆内，这是因为激光能量主要集中于中心轴处；在乙轴方向，零件正反面两面中心轴处的温度升温均较明显，作用2.5s后，正面(7)中心点温度达到8 0 2，反面中心点温度达到了680，这是因为激光本身有穿透性且零件较薄。分析作用时长对温度分布的影响，由模拟结果可知：激光作用的时间越长，零件内部受激光作用范围内升温越多，但是整体温度分布趋势基本一致，均为类高斯分布；激光作用时间的变化对零件径向升温范围的影响不大，原因是激光的能量比较集中，主要集中在光斑中心，激光光斑中心具有高功率的特点，当激光作用于零件表面时，会使得零件局部在短时间内快速升温；激光作用时间对轴向温度变化的影响比较大，当激光作用时间增加时，轴向各处温度会快速大幅度升高，从而使得材料内部产生残余应力，改善力学性能，同时获得更高的拉伸强度和屈服强度。当激光作用时长为2.5s，激光光束半径选取为15mm，激光中心功率密度选取分别为8 0 0 W/cm、900W/cm、10 0 0 W/c m、110 0 W/c m、12 0 0 W/c m 时，得到的零件上表面沿径向温度分布如图4所示，中心点最高温度分别为6 6 8.14、7 36.8 1、802.74、8 6 6.7 4、9 30.8 2。温度()930.822.5s2.0s1.5s1.0s0.5s12.52537.550X轴(mm)2.5s0.50.7511.251.51.75Z轴（mm）1100W75062550037525012520-50-37.5-25-12.5012.5X轴(mm)图47不同激光功率时温度分布2.0s1.5s900W1.0s0.5s1200W1000W800W2537.55027激光冲击强化316 L不锈钢温度场仿真研究当激光作用时长为2.5s，激光中心功率密度选取为10 0 0 W/cm，激光光束半径分别为5mm、10mm、15m m、2 0 m m、2 5m m,得到的零件上表面沿径向温度分布如图5所示，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()870.0675062550037525012520-50-37.5-25-12.5。12.52537.550X轴(mm)图5不同束腰半径时温度分布分析激光功率对温度分布规律的影响可知：当激光功率增加时，中心温度升高较多；沿径向分析，激光功率的增加对半径为12.5mm以内的范围温度变化影响较大，对半径12.5-2 5mm半径范围温度变化影响较小，对半径大于2 5mm范围的温度变化几乎没有影响。在短时间内，能量主要集中在激光作用区域，且激光功率的增加能够使得激光作用区域的温度有大幅度的升高，有利于改善材料的力学性能。分析激光光束半径对温度分布规律的影响可知：当激光光束半径增加时，中心点温度也会随之增加，但是随着激光光束半径的增加，中心点温度增加的速率也会逐渐减缓；沿径向分析，激光光束半径的变化对升温范围的影响较大。因此在加工过程中，激光光束半径应控制在一定范围内，不应过大。3结论1）当采用激光冲击强化316 L不锈钢圆形薄板时，考虑材料热物性参数的非线性，建立理论分析和有限元分析模型，激光中心功率为12 0 0 W/cm，激光光束半径为15mm，作用时长为2.5s时，中心点温度达到930，激光冲击强化有较好的效果；2）激光作用中心点温度最高，沿轴向温度逐渐降低，沿径向温度快速降低，激光功率和作用时长对最高温度影响较大，激光光束半径对最高温度的影响较小。采用激光冲击强化316 L不锈钢零件，提高其力学性能时，为使得零件表面能够在短时间内快速升高到接近于熔点的高温，应选取高功率激光器，增加激光功率。参考文献1赵绪杰,马永新,张增焕等.激光冲击强化技术研究与应用现状 J.应用激光,2 0 2 2,42(10):111-119.2李红伟.轧辊新型激光表面强化技术研究 .中国金属通报,2 0 2 2,10 6 6(0 4):114-116.3刘永恒,顾鑫,邓大祥等.双面激光冲击强化技术研究进展25mm.光电工程,2 0 2 3,50(0 4):2 5-40.20mm4刘朋错,全红宇等.激光冲击强化对AZ31B镁合金表面耐15mm腐蚀行为的影响 J.应用激光,2 0 2 3,43(0 4):117-12 8.-10mm5Haotian Chen,Lianchen Ge.Effect of curvature of concave5mmmodel on strengthening effect of 7050-T7451 aluminum alloyLby laser shockJ.Applied Physics A,2022,128(8).6Chen Haotian,Ge Liangchen.Strengthening effect of lasershock:convex model with and without reflectionJ.SURFACETOPOGRAPHYMETROLOGY ANDPROPERTIES,2021,9(3).7曹子文,孙汝剑,车志刚等.金属基复合材料激光冲击高周疲劳行为及增寿机理 J.塑性工程学报,2 0 2 3,30(0 4):17 0-17 7.8唐伟清,罗军明,陈宇海等.TC4钛合金表面激光冲击-微弧氧化涂层的组织和性能 .材料热处理学报,2 0 2 3,44(0 3):144-151.9覃恩伟,刘丽霞,刘成威等.316 L不锈钢的低能量激光冲击强化工艺 1.金属热处理,2 0 2 2,47(0 9):92-97.10陈磊,王宗申,郑宏宇等.纯铜微尺度激光冲击强化过程数值模拟研究 J.应用激光,2 0 2 3,43(0 3):90-99.11韩正旭,唐进元,邵文等.航空齿轮激光冲击强化残余应力场仿真计算研究 .航空制造技术,2 0 2 3,6 6(0 5):91-10 2.12陈巧灵,李宁.激光冲击强化钢的残余应力数学建模分析.兵器材料科学与工程,2 0 2 3,46(0 1):12 2-12 7.13 Jiang Xingyu,Tian Zhiqiang,Liu Weijun,Tian Guangdong.An energy-efficient method of laser remanufacturing processJ.Sustainable Energy Technologies and Assessments,2022,52.14LIU Guang-lei,CAO Yu-hao,YANG Kun,GUO Wei.Thermal fatigue crack growth behavior of ZCuAl10Fe3Mn2alloy strengthened by laser shock processingJj.Transactions ofNonferrous Metals Society of China,2021,31(4).15窦杨,周王凡,吴永胜等.无保护层激光冲击强化的热效应研究 J.表面技术,2 0 2 3,52(0 5):347-355.16刘涛,尹志强,雷经发等.选区激光熔化316 L不锈钢高应变率压缩下的塑性变形行为 .材料研究学报,2 0 2 3,37(05):391-400.17李文生,邢健,张杰等.温压烧结316 L不锈钢组织和耐3.5%NaC1腐蚀行为 .稀有金属材料与工程,2 0 2 2,51(12):4714-4725.8