激光加热温度场分布.docx

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1、不同材料激光加热温度场研究摘要：本文对一维半无限空间加热（金属棒激光加热）温度场分布进行了研究。主要以铁、铝、铜等金属为例，分析了不同材料的性质与激光加热温度场分布的关系，单一材料激光加热温度场变化规律，以及在考虑材料发生相变的情况下其温度场分布变化。关键词：一维半无限长空间，激光加热，温度场，相变激光热处理技术是近些年来兴起的一种热处理技术，相比于传统热处理，其有着较多的优势。在其他条件相同情况下，不同材料在激光加热中所引发的温度场分布是不相同的，其温度场分布与材料性质、加热温度、加热时间及相变等因素有关

2、。下面对这些因素对温度场分布的影响一一进行讨论。1.不同材料激光加热温度场分布1.1半无限长金属棒激光加热温度场方程现假定有一根半无限长的金属棒，不考虑其与外界环境的热交换，在其一端进行激光加热。设金属棒初始温度为，激光加热温度为，则其热传导方程为其中，为导温系数，单位：。不同材料的导温系数如下表：表1不同材料导温系数值材料名称导温系数（）铝铜铸铁黄铜不锈钢PVCPMMA激光加热前金属棒温度与环境温度相同，都为，则金属棒在零时刻处处温度为，即满足在任意时刻激光加热一端温度维持激光加热温度不变，即满足于是列出

3、以下方程组由以上方程组解得其中，，为高斯误差函数。1.2不同材料温度场分布比较以铝、铜及铁为例，假定金属棒初始温度，激光加热温度。对三种金属分别进行激光加热1min和5min后温度场分布曲线如下：观察以上曲线，无论是加热1min还是5min，铜的温度场分布曲线都在最上方，铝在中间，铁在最下方，同时考虑到，说明对于不同金属，其导温系数越大，加热相同时间温度场也越高；而对于同一种金属，由曲线可知，越靠近激光加热端其温度越高，且随着距离的增大急剧减小。1.3同一材料温度场变化分析以铝为例，绘出对其分别进行激光加热

4、1min，3min，10min后的温度场分布曲线如下：由该曲线可知，加热时间越长，温度场分布曲线越高，即金属棒上各点温度越高；另外图中加热1min时的温度场曲线较“陡”，而加热10min时的温度场曲线较“平缓”，即表明随着加热时间的增加，温度场分布曲线越来越平缓，金属棒上各处温度的分布越来越均匀，最终趋向于激光源加热温度。1.4同一材料不同位置温度变化对于同一材料，分别以铝、铜、铁为例，取其0.1m，0.3m，0.5m处温度随时间的变化进行分析，绘出其曲线如下：观察以上曲线，对于同一材料，其0.1m处位置温

5、度上升速度最快，0.3m处次之，而0.5m处温度上升最慢，即表明，对于同一材料，越靠近激光源处的位置温度上升越快；另外图中每条曲线的斜率都是先增大后减小，即表明某一点其温度的上升速度随时间增加先增大后减小；而三种金属中相同位置处铜的温度上升最快，铝次之，铁最慢，即表明，对于不同材料，其导温系数值越大，各点温度上升越快。1.温度场分布相同的激光加热时间2.1加热时间关系由温度场解析式可知，对于两种不同材料1、2，假定其初始温度和激光加热温度相同，若两者的导温系数与加热时间满足则对于任意一个，都有从而即两种材料

6、的激光加热温度场完全相同。2.2相同温度分布曲线依然以铝、铜、铁为例，并规定铝金属棒加热5min，即，则铜、铁加热时间如下：根据以上不同加热时间绘出三种金属加热后温度场曲线如下：由上图可见三种金属温度场分布曲线几乎完全重合，因而证明对于n种不同材料，在加热时间满足式子的条件下，其激光加热后所得的各个温度场分布完全相同。1.考虑相变情况下激光加热温度场分布以Fe为例，其在912℃以下为相，912℃—1394℃间为相，超过1394℃为相，现假定初始温度为25℃，激光加热温度为1300℃，即铁金属棒只在相和相之间

7、转换。则当铁棒温度上升到912℃时由相转换为相。两种相的导温系数如下表：表2Fe不同相导温系数表Fe金属相导温系数现在在考虑相变情况下对Fe激光加热温度场分布进行讨论分析。3.1有无相变温度场曲线对比若不考虑相变，即始终为相，则在任意时刻其温度场分布曲线都是平滑的，而若考虑相变，由于不同相的导温系数不同，导致其相变点处曲线不平滑。两条曲线对比如下：分析该曲线可知考虑相变情况下，相变点左侧为相，右侧为相，且左右两侧都分别平滑，唯一在相变点处有转折，即斜率突变。另外由左右两段曲线下降趋势可知相上温度随位置变化下

8、降速度比速度慢。3.2温度场曲线分布随时间变化关系对Fe分别进行激光加热1min，3min，10min后，其对应温度场分布曲线如下：由该曲线可知，加热不同时间其温度场分布关系基本与不考虑相变情况下一致，都随加热时间的增加而上升，区别在于以上各曲线都存在相变点，曲线在相变点出斜率不连续，且相变点位置随加热时间的增长而远离激光加热源，即整个金属棒中相成分越来越多。3.3不同位置温度随时间变化关系对Fe激光加热，在其金