激光辐照温度场计算中的"像热源"研究!

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内容摘要：

激光辐照温度场计算中的"像热源"研究!激光辐照温度场计算中的"像热源"研究!
李俊昌!,马琨!,桂进斌!,伏云昌!,秦应雄",郑启光"
(!#昆明理工大学,昆明$%&&'(;"#华中科技大学,武汉)(&&*))
提要:激光热作用研究中,通常只能采用纯数值计算方法研究异形工件激光热处理温度场,本文介绍轴对称像热源处理边界问题的半解析
计算方法并给出实验证明.该方法适用于任意分布光束的热作用计算,当工件的局部边界由非正交平面构成时,可以获得满意的计算结果.
关键词:热传导;材料表面激光改性;激光热作用计算
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收稿日期:"&&(0!"0!"
基金项目:国家自然科学基金$&!*X&&),国家激光技术重点实验室
访问学者基金资助.
!引言
激光热处理应用研究中,实时监测被处理材料内部的温
度变化十分困难,理论计算随时间变化的激光热处理温度场
是一个重要的课题.为简化研究,通常将被处理材料视为热
物性参数与温度无关的半无限大连续介质,将激光强度分布
视为基横模高斯分布,方形均匀分布或者圆形均匀分布,利
用热传导方程求解材料内部的温度场.目前,已经导出许多
便于使用的计算公式〔!0(〕.理论及实验研究表明,当所处理
材料表面为平面,处理区域远离试件边界以及所使用的光束
分布与假定的光束分布比较接近时,合适选择材料的热物性
参数,可以简洁地得到很接近实际的结果〔(0)〕.然而,由于
实际被激光处理的对象通常是形状复杂及尺寸有限的几何
体,激光热处理又通常在工件的边界附近进行,当激光扫描
进入或离开工件界面时还伴随着一部分光束落在工件之外
的情况.此外,激光的功率密度分布也基本上不是人们理想
化的形式.因此,如果不加分析地使用半无限大连续介质中
热传导方程的解析解,甚至人为地将激光视为基横模高斯光
束或矩形截面的均匀光束等理想分布,理论计算事实上很难
为实际工作服务.尽管纯数值计算可以较准确地模拟激光
热处理温度场,但计算时间和成本很难为实际应用所接受.
因此,无论在国内外,激光热处理工艺参数的优化基本上还
停留在总结实验规律的阶段,研究能在现场为工艺优化提供
参考的温度场快速计算方法,是很有价值的工作.
当激光作用区域为平面,且热影响区不接近被处理对象
的边界时,我们曾经提出激光热处理瞬态温度场的快速计算
方法〔%〕;当被处理材料边界由正交平面构成时,可以将边界
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