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采用感应预热的连续激光淬火(三)

编辑: 添加时间:2015-08-28 08:55:55 点击量:

3 数值解
    数学模型,即式(2)、(3)和(5)以及相应的边界条件,其数值解采用 COMSOL Multiphysics 4. 3 专业码求得。硬耦合公式采用二阶有限元法求解。计算时,对诸多数学指示器进行了仔细地监控,例如取决于离散网密度和人为边界位置的计算结果(3 位有效数)的收敛、时间积分的稳定性等。计算所选定实例的一个变量,一台顶级计算机运行了4 ~5 h。

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4 实例
    本文的研究工作要讲究效率,因为结果的计算、处理和比较都是非常繁琐的工作。遗憾的是,一些特殊的变量,如被加热材料(及其特性)、激光器与两个感应器的相互几何位置、感应器电流、屏蔽元件等,都有差异。因此,就被加热材料而言,本文仅采用了两种典型的中碳钢(一种是捷克产 sn12040钢,另一种是德国产 AISI 4130 钢)。对用这两种碳钢制作的大尺寸钢板进行加热。

4. 1 实例 1
    首先对 sn12040 钢表面进行激光加热,以了解加热温度随时间的变化情况。这时激光器是不移动的。将得到的结果与合作者 MATEX PM(Pilsen)公司测得的试验数据进行比较。

 
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静态激光束加热(无感应器)
Fig. 2 Heating by static laser beam(without inductor)
板状工件 x 向的尺寸为 43 mm,y 向为 21 mm,z向为 102 mm。二极管激光器的最大输出功率 Pmax= 3. 5 kW效率为 35%。为了进行比较,采用了同等效率的稳态功率 1. 925 kW,这是常用的淬火功率值。激光束的宽度为 5 mm。加热时间为 3 s,随后激光器断开。

    被加热的平板为捷克产 sn12040 钢(相当于我国的 35 钢),该钢的临界点 Ac3= 755 ℃ 。最终 agen= 10 Wm- 2K- 1。加热过程中加热点的温度应超过 1200 ℃,但不得高于 1400 ℃。
数学模型只用式(5)表示(本文不研究磁场)。
    计算围绕 COMSOL4. 3 代码进行,并以许多内定的特殊步骤和文字材料进行补充。加热点温度随时间的变化与实测数据完全相符。加热过程开始时有一定的差异,其原因为高温计只能正确测定约 800 ℃以上的温度。


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sn12040 钢的电导率随温度的变化
Fig. 3 Electric conductivity versus temperature
(carbon steel SN12040)
 

sn12040 钢的热导率随温度的变化
Fig. 4 Thermal conductivity versus temperature
(carbon steel SN12040)
 

sn12040 钢的热容量随温度的变化
Fig. 5 Heat capacity versus temperature
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