基于Abaqus圆柱圆周表面激光淬火温度场仿真

　　0 引言

　　轴类零件是常用的机械零件。由于轴类零件多用于传动，所以轴类零件的表面磨损是常见的失效形式。对于轴类零件来说，其不但在传动中起到主要作用，而且还负担着承受相应的载荷和冲击，所以轴类零件一般来说对其韧性也有一定的要求。激光淬火工艺是新兴的热处理工艺，其主要是通过激光光斑在零件表面的扫描形成淬火后的硬道实现表面硬化的目的。经过大量的应用以及实验研究分析发现，激光淬火能够有效地提高钢制零件抗疲劳和抗磨损性[1-2]。

　　由于淬火层深度与工件尺寸相比小的多，在对激光淬火的研究中，一般是把淬火的工件看作为是半无限大质量的物体，从而忽略了淬火时基温的变化。这样就可建立工件激光淬火的数学模型。即在材料的表面建立xy坐标、z轴指向材料内部。在一束功率为P以速度为v沿x轴正向扫描的激光作用下，t=τ时刻在材料表面的温度增量可以表示为[3]。

　　式中，ρ—材料表面对光能的吸收系数(无量纲);

　　k—材料的导热系数(W/Mk);

　　α—材料的热扩散系数(m²/s);

　　v—激光相对于被处理材料表面的扫描速度(m/s);

　　H(x，y)—作用激光的功率密度分布函数(0≤H(x，y)≤1);

　　I₀—激光功率密度分布极大值，若作用激光的功率为P，则有以下关系

　　式(3)、(2)可以将改写成关于x，y的二维卷积形式

　　其中，

　　淬火质量主要是由激光淬火温度决定。由式(1)可以看出，激光淬火的温升是由很多参数决定的，要保证合适的淬火温度以达到较好的淬火质量就需确定合理的激光淬火工艺参数。

　　一般工程应用中主要是通过实验的方法确定相应的激光淬火工艺参数，这样做浪费较大，效果差。利用计算机仿真分析激光淬火的温度场无疑可以提高工作效率，而且减小由于实验而产生的能耗和材料的浪费。

　　很多工程技术人员在利用计算机仿真分析激光淬火温度场方面做出了大量的工作。美国伦塞勒综合技术学院的Araya等人[4]提出了一种被移动激光光源加热的瞬态温度场解析算法。

　　美国普渡大学机械工程学院的Patwa等人[5]建立了可以预言在一定的激光淬火工艺参数作用下的淬火效果激光淬火数学模型。DeSilva等人[6]提出了一种方法建立三维轴对称工件激光淬火瞬态温度场模型。

　　以上针对于激光淬火温度场分析算法主要是基于半无限体材料假设前提条件下的激光淬火，而圆柱激光淬火由于其结构特点，激光光斑在淬火过程中将逐渐趋向于已淬火区域，所以温度场之间的影响不可忽视。本文将利用Abaqus软件对圆柱表面激光淬火温度场进行模拟仿真。