Vol.25 No.3 张建宇等：激光强化半钢轧辊的实验研究与温度模拟 ·259 后，原始热处理形成的表面工作层已使用待尽 60 试样原始硬度大体维持在HRC40左右（图1）. 50 激光处理后，硬度值明显增加，说明实现了表面 40 -■-0.4m/min 强化. 30 -●-0.5mmin 图2和图3的测量曲线分别对应的激光扫描 ▲0.3m/min 20 速度是0.5和1.1m/min.可见，在相同的扫描速度 3 4 下，增大激光输人功率值，可以改善表面淬火效 测试点 果，进而提高辊面的耐磨性能 图4扫描速度对淬火层硬度的影响 Fig.4 Effect of scanning speed on the hardness of the 60 hardening zone 50 40L 一■一1.5kW 3激光扫描过程中的热循环规律 -●-1.2kW 30 激光加工的特殊性决定了用实验手段获得 20 1 2 超快速加热冷却过程中的热循环规律，几乎是不 测试点 可能的.国内有研究人员利用红外热像仪等设备 图2低输入功率对淬火层硬度的影响 测量激光作用过程中的温度场，实际上也只能 Fig.2 Influence of low laser power on the hardness of the 捕获一种表面上的二维温度分布，真正意义上的 hardening zone 热循环机理尤其是其改性层内的温度变化规律 60 是测不到的.而冷却规律对相变结果的作用是决 50 定性的，前面的实验结果已说明了这一点. 0 近几年内计算机的迅猛发展为数值仿真技 -■-1.8kW 30 -●2.0kW 术的应用提供了发展的平台.有限差分和有限单 元法等数值计算手段也日趋完善，列这些条件都 20L 1 4 5 6 为探索激光作用时的热循环规律提供了保障. 测试点 激光扫描可视为一种快速移动的高能密度 图3高功率对淬火层硬度的影响 热源在工件表面作用的过程.数值模拟过程是基 Fig.3 Effect of high laser power on the hardness of the 于经典的三维热传导模型，同时考虑对流换热、 hardening zone 热辐射以及恒定热流密度等边界条件之后完 2.2扫描速度的影响 成的. 单纯讨论光束扫描速度对激光淬火效果的 理论计算的几何模型建立在本实验的工件 影响是没有任何意义.相同输人功率条件下，较 形状基础上，单元网格的划分根据激光作用区域 大的扫描速度意味着较短的光束作用时间和较 的变化而采取不同的疏密处理.同时由于涉及到 快的冷却速度，辊面获得较薄的淬硬层和较高硬 高温过程，所以必须考虑材料性能参数的非线性 度的倾向较大.但是，如果扫描速度太慢，表层奥 问题刃.图5中15显示的是深度分别为2.01.5， 氏体化深度增大的同时，也会导致冷却速度下 1.0,0.5mm和表面上的点随激光扫描进程的温度 降，马氏体转化量偏少，会影响到辊面强化效果. 变化规律.可见，越靠近表面，瞬时加热温度和热 实验过程中，有的试样扫描后硬度值没有明显变 循环速率越高.经计算，表面的加热和冷却速率 化，甚至有所软化，就是基于这种原因 均可达到10℃s这一数量级.同时在该计算条件 图4中的3条曲线是在扫描功率为1.2kW 下，淬硬层的深度在0.5mm以内. 的前提下，分别采用0.3,0.4,0.5m/min的扫描速 图6是扫描路径上不同位置处的温度随时间 度时不同硬度之间的对比结果.可见，0.4mmin 历程的变化规律.对比各条曲线说明，在激光扫 对应的硬度值高于0.5和0.3m/min的情况.前一 描过程中，每一点所经历的热循环过程大致统 种结果是由于比能量的增加造成的，而后一种情 一·虽然激光作用温度场是空间和时间坐标的双 况则说明，冷却速度对激光表面改性的效果起着 重函数，但实际上该函数单纯从时间角度考虑接 举足轻重的作用 近稳态分布，由于极高的能量密度和极快的作用一 张建宇 等 激 光 强 化 半钢 轧辊 的实验 研 究 与 温 度 模 拟 · 后 ， 原 始热处 理形 成 的表 面工 作层 已 使用 待 尽 试 样 原 始硬 度 大 体维 持 在 左 右 图 激光 处 理 后 ， 硬 度值 明显 增 加 ， 说 明实 现 了表 面 强化 图 和 图 的测 量 曲线分 别对应 的激光 扫 描 速 度是 和 耐 可见 ， 在相 同的扫 描 速 度 下 ， 增 大激 光 输 人 功率值 ， 可 以 改 善表 面淬火 效 果 ， 进 而 提 高辊 面 的耐磨 性 能 月 一 一一一一 一 一 一 一 一 奋 峥︸、内︶月﹃、︸ 八 口国困 一 一一一 一 一 一 － 一 一－ 测 试点 图 扫 描 速 度 对 淬火 层 硬 度 的 影 响 · 一 一 一 一 任︸，‘，、 曰“ ︺国 测 试点 图 低输入 功率对 淬火 层 硬 度 的影 响 口 圣 一一 一一 － ‘ 一一 一 ‘︸︸ 一 一 一 一 测 试 点 图 离功 率 对 淬火 层 硬 度 的影 响 扫描 速 度 的 影 响 单 纯 讨论 光 束 扫 描 速 度 对 激 光 淬 火 效 果 的 影 响是 没 有 任何 意 义 相 同输 入功率条件 下 ， 较 大 的扫 描 速 度 意 味着 较 短 的光 束 作 用 时 间 和较 快 的冷却速度 ， 辊 面获得较 薄 的淬硬 层 和较 高硬 度 的倾 向较大 但是 ， 如果 扫描速度太慢 ， 表层 奥 氏体化 深 度 增 大 的 同时 ， 也 会 导 致 冷 却速 度 下 降 ， 马 氏体转化量偏 少 ， 会影 响到辊 面强化效 果 实验过程 中 ， 有 的试样 扫描后 硬度值没有 明显变 化 ， 甚 至有所 软化 ， 就 是基 于 这 种 原 因 图 中 的 条 曲线 是在 扫描 功率 为 的前提 下 ， 分 别采用 ， ， 的扫 描 速 度 时不 同硬度 之 间 的对 比结果 可 见 ， 对 应 的硬 度 值 高 于 和 的情 况 前 一 种结果是 由于 比能量 的增 加 造 成 的 ， 而后 一 种情 况 则说 明 ， 冷却 速 度对激 光表 面 改性 的效果起 着 举 足 轻重 的作用 激 光 扫 描 过 程 中的 热循 环 规 律 激 光 加 工 的特 殊 性 决 定 了用 实 验 手 段 获 得 超快 速 加 热 冷却 过 程 中的热循 环 规律 ， 几乎 是 不 可 能 的 国 内有 研究 人员 利 用 红 外热像 仪 等设备 测 量 激 光 作用 过 程 中的温度 场 「 ， 实 际上 也 只 能 捕 获一 种 表 面上 的二维 温度 分布 ， 真正 意义 上 的 热循 环 机 理 尤 其 是 其 改性 层 内的 温 度 变 化 规 律 是测 不 到 的 而冷却规律对相 变 结果 的作用 是决 定 性 的 ， 前 面 的实验结果 已 说 明 了这 一 点 近 几 年 内计 算 机 的迅 猛 发 展 为 数 值 仿 真 技 术 的应 用 提供 了发 展 的平 台 有 限差 分 和 有 限单 元法 等数值计算手 段 也 日趋 完 善卜， 这 些 条件都 为探 索激 光 作用 时 的热循环 规 律 提 供 了保 障 激 光 扫 描 可 视 为 一 种 快 速 移 动 的 高能 密 度 热 源在 工件 表 面作用 的过程 数值模拟 过程是基 于 经 典 的三 维 热传 导模 型 ， 同时 考 虑 对 流换 热 、 热 辐 射 以 及 恒 定 热 流 密 度 等 边 界 条 件 之 后 完 成 的 理 论 计 算 的几 何 模 型 建 立 在 本 实 验 的工 件 形 状基础 上 ， 单元 网格 的划 分根 据激 光作用 区 域 的变化 而采取不 同的疏 密 处 理 同时 由于涉及 到 高温过程 ， 所 以 必须考 虑 材料性 能参 数 的非线性 问题 师， 图 中 一 显 示 的是 深度 分别 为 ， ， ， 和表 面上 的点 随激光 扫描 进 程 的温度 变化规律 可 见 ， 越 靠近表 面 ， 瞬 时加热 温度 和热 循 环 速 率越 高 经计算 ， 表 面 的加 热 和 冷 却速 率 均可 达 到 ℃ 这 一 数量 级 同时在该计算条件 下 ， 淬硬层 的深度 在 以 内 图 是 扫描路径 上 不 同位置处 的温度 随时 间 历 程 的变化规 律 对 比各 条 曲线 说 明 ， 在激 光 扫 描 过 程 中 ， 每一 点 所 经 历 的热 循 环 过 程 大 致 统 一 虽 然 激光作用 温 度场是 空 间和 时 间坐标 的双 重 函数 ， 但实 际上该 函 数单纯从时 间角度考 虑 接 近稳 态 分 布 由于极 高 的能量 密 度 和极 快 的作用