基于激光脉冲对钢材热处理的计算探索

李伟锋

摘要：本文主要分析受到激光脉冲的影响下，钢材温度场计算方式。基于对激光脉冲在热作用方面的计算探讨，结合试验对比，验证计算方法的可用性。以供相关人士参考。

关键词：激光脉冲;钢材热处理;计算

引言：运用激光脉冲实现材料热处理时，热作用情况会直接影响到热处理的效果。考虑到激光和材料之间相互作用的复杂性，为能快速确定温度场，把介质热物性参数看成常数，内部视为均匀质地，把激光强度设置成理想化的分布状态。在连续发送形式的激光中，激光强度设定成基横模高斯的分布形式，整体呈现矩形以及圆形，进而推导出可用的表达式。

一、激光脉冲

激光脉冲表示带有脉冲形式的激光装置，发出光脉冲，可简单看成手电筒，能被按钮控制。脉冲方式的应用，例如发出信号、控制热量形成等。激光脉冲极短，能达到“皮秒”的程度[1]。

二、激光脉冲的计算分析

（一）基于钢材热作用

（二）计算对比分析

为验证上文提到针对任意既定分布光束，所得的数学表达式的可用性，本次试验安排运用激光脉冲，对钢材实施热处理。受到试验条件的限制，无法跟踪式掌握钢材内部温度起伏状况，因而选择运用以 为界，对应的相变模型，进一步评估理论计算的可用性。把对钢材热处理期间，出现大于奥氏体化温度以及不足钢材熔化温度，同时冷却速度超过马氏体相生成对应临界值，满足上述的区域，当成相变的硬化区。鉴于 在温度上升速度速度提高中，会随之增大，最终确定的 是 。做好试验设定准备后，假设经过理论计算得出的结果和试验测量数据基本一致，由此意味着温度场的理论计算，具备可采取的价值。

1.试验条件

激光热处理所针对的钢材规格是 ，属于比较标准的长方体。另外为提升钢材表面吸收光能的效果，在长方体表面涂抹石墨吸收层，其吸收系数在 左右。试验中，选择二氧化碳的激光参数包括： ，基于聚焦系统处理后，光能损失量在 左右;脉冲宽度是 ，脉冲周期为 。在空间上，脉冲的宽度是 ，毗邻脉冲列之间的距离是 。试验中，在准备的钢材样件上，一次往返热处理，涉及到 个脉冲。在完成热处理之后，分别针对钢材各个剖面，分析其硬化带的情况。

基于上文提到的參数内容，以及激光在传输过程中的 损失量，应用相变模型，分析相变硬化带的规格，以供进一步比较研究。通过比较理论模拟数据与实际试验结果来看，二者平均误差率，在 左右。具体对比统计统计结果如下表所示。

2.结果讨论

为提炼出上述计算方式的特征，运用有限元应用程序，开始试验检验研究。在实际计算中，所用的有限元网格，设置成等分间隔的格局，以 为标准，划分出若干节点，所用钢材样件上，标出 个节点。为能等得到所需的研究数据，设定的计算周期时长为 ，而借助计算机，采用上述数学表达式，进行计算，直到得出结果，也仅等待不足 的时间。不难想象，假设分析激光热作用，同等时间跨度中，脉冲规模扩大至原本的二倍，使用常规有限元的计算方式，需要等待 。但如果应用计算公式，实际确定的时间和设置运算时刻没有联系，不会干扰计算速率。运用有限元计算时，基本条件、钢材样件和之前分析计算的结果无过大出入，最终存储的结果，输出激光脉冲钢材热作用期间，每个阶段所能达到的温度最高值情况。而后运用 相变模型，确定硬化带区域的深度均值是 ，和试验测量、分析结算所得数据接近。

对于钢材激光热处理的运用分析，明确计算激光脉冲列形成的热作用，属于极为复杂的过程。因为现实钢材热物性参数为温度方程，在分析样件外形与现实边界条件的基础上，仅能凭借有限元与有限差，才可以确保对激光热作用效果的精确模拟。由于有限元计算方式，能掌握研究时刻和之前的一段时间内，样件温度场等相关关键资料。此外，还需强调的有，上文提到的计算方式，是根据热传导方程，把热物性参数定义成常数，针对半无限大的连续介质，推导出的温度场分布数学表达式。所以，在激光热处理位置趋近平面，同时和样件边界较远的情况下，所得结果相对准确。在面对现实热处理的计算情况时，可增加“像热源”的概念，进一步促使结果更加符合实际[2]。

结束语：基于上文讨论，在可以描述出某个激光强度的分布状况、钢材表面激光强度和时间推进有关联、钢材热物性参数和时间没联系并为内部匀称的连续性介质条件下，使用文章所述的热作用表达式，计算出的结果和钢材热处理的实际温度场接近。和纯数值的运算方式，大幅度压缩计算的周期，对于激光脉冲的热处理运用，提供比较便利的计算方法。

参考文献：

[1]王媛，程小劲，曹健东，等.超短激光脉冲作用下碳纤维复合材料的热动力学分析[J].上海工程技术大学学报，2020，（02）：150-155.

[2]王飞.激光脉冲对光学材料损伤的热特性研究[D].苏州大学，2019.