激光表面淬火在ANSYS中的数值模拟

指导老师：曹坚（教授）

组员：王建来（组长） 林谦凯 冯辉 沈海华

一、摘要

建立了轴的3-D模型进行激光淬火时的温度场数值模型，采用ANSYS模拟激光束扫描过程中轴面的温度分布。通过对使用不同激光功率和光斑直径的结果分析，定性地得出了激光表面淬火的工艺参数。

二、关键词

ANSYS，温度场，激光，淬火

三、SUMMARY

Build a 3-D numerical temperature fields model for axle when it was laser hardened.Simutate the temperature distribution at the surface of axle during the laser-bean scanning by using ANSYS software.The results by using different laser power and spot diameter were analysed,which shows the technological parameter of laser quenching on the surface qualitativly.

四、KEYWORD

ANSYS，temperature field，laser，quenching 五、前言

激光表面淬火是利用激光在要热处理的部分扫描，使被扫描区域快速升温，而未被扫描区域保持常温。激光表面淬火的原理和普通热处理是相同的，只不过激光作为热源加热金属的时间很短，处理区域也很小。激光对金属进行热处理时，金属表面温度和热穿透深度都和激光照射时间的平方成比例。所以适当地调节激光光斑尺寸、扫描速度和激光功率，就可以对金属表面温度和热穿透深度进行控制。

本文采用ANSYS软件对45#钢零件在激光扫描过程中的瞬时表面温度场进行模拟，并根据各模拟情况，推测出激光淬火比较适合的扫描速度、光斑尺寸和激光功率。

六、ANSYS数值模拟

ANSYS热分析主要用于计算一个系统或部件的温度分布及其他热物理参数，如热梯度、热流密度等。ANSYS热分析包括热传导、对流及辐射等多种热传递方式。

激光表面淬火属热瞬态分析，应建立SOLID70三维六面体单元进行有限元分析。 SOLID70——三维热实体，具有8个节点，每个节点有一个温度自由度。该单元可用于三维的稳态或瞬态热分析。

本次模拟实验采用GUI界面来操作。 (一) 建立有限元模型 ①确定单元类型

GUI：MainMenu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete

点击Add按钮，在接下来的窗口中选择Thermal solid右边选Brick 8no70（如图）。

②定义材料属性

GUI：Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models

在出现的窗口如下图依次选择Isotropic、Density、Specific Heat、Convection or Film Coef。

在出现的新窗口中依次定义热导率、比热容、密度以及对流热系数。以45钢为例：密度：7.85g/cm3

45号钢的比热容、热导率与温度的关系

TC 20 100 480 200 498 300 524 400 560 500 615 CPJ/kg.C 472 W/m.C 47.7 43.5 40.4 38.1 36.0 34.16 TC 600 700 854 755 1064 800 806 900 637 1000 602 CPJ/kg.C 700 W/m.C 31.98 28.66 25.14 26.49 25.92 24.02 45号钢的对流换热系数hc与温度T关系

T/C 2150 ] 100 3800 600 4200 200 6000 700 1500 300 13500 800 500 350 14000 850 300 400 12500 hc/[W(mC)T/C2000 500 21hc/[W(mC)] 7000 ③创建几何模型 本次模拟实验以轴为例。是从PROE中导入的。 GUI：FILE>IMPORT>IGES 划分网格：

GUI：Main menu>Preprocessor>Meshing>MeshTool如图设置

(二)施加载荷

①定义热分析类型

GUI：Main menu>Solution>Analysis Type>New Analysis 操作后在出现的New Analysis对话框中Transient选项。 ②施加载荷

1、在面上加载温度载荷

GUI:Main menu>Solution>Define Loads>Apply>Thermal>Temperature>Unirorm Temp 在文本框中输入环境温度，假设环境温度为20℃。 2、在面上施加热流密度

GUI：Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Thermal>Heat Flux

操作后会出现的对话框，选中模型上的一面确定后在随后出现的对话框中输入热流密度。

热流密度

激光功率(W) 光斑直径(mm) 热流密度 800 6 11317684 1000 4 31830988 1000 6 14147106

1000 8 7987747

1200 6 16976527

热流密度其数值是指材料表面吸收的功率密度F，

a其中，为吸收率，假设40% Fp

p为激光功率 a为光斑直径

故适当改变功率密度就可以模拟实验出不同光斑直径，不同激光功率的实验。 3、确定时间

GUI：Main Menu-Solution-Load Step-Time/Frequenc-Time-Time Step/Time and Substps 输入时间和时间步长，本次实验统一步长1S，时间为4S，5S，6S三组实验。 ③求解

GUI：Main menu-Solution-Solve-Current Ls 确定后开始求解。 （三）模拟结果

GUI：Main menu-General Postproc-Plot Results-Contour Plot-Nodal Solu在此操作后会得出模拟结果的温度场彩云图。

图为5S时45钢的温度场彩云图。

三、结论