学士学位论文—-基于温度控制的半导体直接输出激光相变硬化研究.doc

浙江工业大学硕士学位论文 硕士学位论文论文题目：基于温度控制的半导体直接输出激光相变硬化研究作者姓名 指导教师 学科专业 机械工程 所在学院 机械工程学院 提交日期 2015年 4月浙江工业大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。作者签名：日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1保密，在_年解密后适用本授权书。2不保密。（请在以上相应方框内打“”）作者签名：日期： 年 月 日导师签名：日期： 年 月 日基于温度控制的半导体直接输出激光相变硬化研究摘 要随着半导体激光器功率的不断提高和光束质量的不断改善，半导体激光器在表面改性中的应用越来越广泛，同时直接输出的半导体激光器由于其输出波长较短，光电转化效率和材料吸收率较高等优势，已经大量应用于汽车、模具、五金、轻工、机械制造等众多行业。激光相变硬化技术作为材料表面改性技术中的一个重要环节，解决了许多常规热处理工艺无法解决的难题，其技术优势越来越明显。然而，影响激光相变硬化工艺质量的因素很多，导致在实际应用中控制马氏体相变层质量的难度较大，从而制约了激光相变硬化技术的应用。为了简化激光相变硬化工艺的探索，提高马氏体相变硬化层的质量，本文根据温度可控的激光加工工艺的需求，搭建了可以实现激光加工温度控制的大功率半导体直接输出激光加工平台。在该硬件平台的基础上，基于Labwindows/CVI的开发环境开发了可以实现激光加工各工艺参数数字化控制的LaserM主控软件；并且设计了用于激光加工过程中温度控制的模糊控制算法。以所开发装备为实验平台，进行了常规的恒定激光功率输出模式和温度控制模式下的激光相变硬化的对比实验，该实验表明温度可控模式下的激光相变硬化层深度和硬度的一致性要优于常规的恒定激光功率输出模式；进行了温度可控模式下的激光相变硬化工艺的正交实验，实验结果表明，相变硬化层深度与控制温度和激光光斑宽度呈正相关，随着激光扫描速度的增加，硬化层深度先增大后减小；为了得到较深的硬化层深度，并且进一步探索扫描速度对激光相变硬化层深度的影响，又进行了温度控制模式下的激光相变硬化工艺优化实验，实验获得了硬化层深度为1.25mm左右的相变硬化层；对试样的金相组织分析表明，受冷却速度影响产生的激光相变硬化区成分、组织的差异是造成硬化层深度和硬度不同的原因。为了进一步探索扫描速度和激光相变硬化控制温度对马氏体相变硬化层的影响，基于非平衡态的奥氏体转化温度和马氏体临界转化速度两个条件为马氏体生成的判断依据，建立了基于COMSOL Multiphysics软件的三维激光相变硬化数值分析模型，探讨了激光加工参数对硬化层深度的影响，与实验结果对比发现，该模型能够较为准确预测温度控制模式下的激光相变硬化层深度。关键词：相变硬化，半导体激光器，温度控制模式，硬化层深度 RESEARCH OF SEMICONDUCTOR DIRECT OUTPUT LASER TRANSFORMATION HARDENING BASED ON TEMPERATURE CONTROLABSTRACTWith the improvement of the semiconductor laser power and beam quality, the semiconductor lasers have been widely used in the application of surface modification. At the same time, direct output semiconductor laser has a lot of applications in automobile, mould, hardware, light industry, machinery manufacturing, and many other industries, because of its shorter output wavelength as well as its higher photoelectric conversion efficiency and material absorption rate.Laser transformation hardening technology, as an important part in material surface modification, solves many problems that conventional heat treatment process can not solve, its technical advantage is more and more obvious. However, there are many factors affecting the quality of laser phase transformation hardening process, so it is difficult to control the quality of martensite phase transformation layer in the practical application, which restricted the application of laser transformation hardening technology.In order to simplify the process of laser phase transformation hardening and improve the quality of the martensite phase transformation hardening layer, a semiconductor direct output laser processing system was built which can realize temperature control in laser process. On the basis of the hardware platform, LaserM master control software was developed based on Labwindows/CVI development environment, and fuzzy control algorithm was designed for temperature control in the process of laser processing.And then, the contrast experiment of laser phase transformation hardening was designed in the mode of constant laser power and temperature control. The experiment proved that the consistency of depth and hardness of the transformation hardening layer was better in the temperature control mode contrast to that in the constant laser power mode. Then a series of orthogonal experiments were designed in the mode of temperature control, which proved that the depth of transformation hardening layer was proportional to the set temperature and the width of the laser spot, and under the same laser transformation hardening control temperature, the hardening depth increased firstly and then decreased with the increase of the scanning speed. In order to get deeper depth of hardening, and further research the influence of scanning speed on the depth of hardening layer, laser transformation hardening optimization experiments were designed in temperature control mode. The depth of phase transformation hardening was up to 1.25 mm, and microstructure analysis of the samples showed that the composition of laser transformation hardening zone and the differences of organization impacted by cooling rate were the main reason caused the property difference in hardened layer.In order to further research the influence of the scanning speed and control temperature on the depth of martensite phase transformation hardening layer, a three-dimensional laser transformation hardening simulation model was built with the COMSOL Multiphysics, using the determinant conditions based on non-equilibrium austenite transformation temperature and the martensitic critical conversion rate. Comparing with the experimental results, the model can predict the laser transformation hardening layer depth in laser hardening process accurately. Key words: transformation hardening, semiconductor lasers, temperature control mode, hardening layer depth V目录目 录摘要IABSTRACTIII第1章 绪论11.1引言11.2半导体激光器的发展及系统开发背景11.2.1半导激光器的发展11.2.2相关激光加工系统开发背景21.3激光相变硬化综述及其研究现状41.3.1激光相变硬化工艺的机理及特点41.3.2激光相变硬化的研究现状61.4温度控制模式下激光相变硬化的提出81.4.1激光加工温度的影响因素81.4.2温度控制的必要性91.5 主要研究内容及章节安排101.5.1 本文主要研究内容101.5.2 本文章节安排10第2章 温度可控的激光加工平台搭建122.1温度可控的激光加工平台的特点122.2系统的硬件构成132.2.1熔池温度的检测和采集模块142.2.2半导体直接输出激光系统152.2.3 WAGO通讯模块162.2.4送粉模块172.2.5机器人运动系统192.3基于Labwindows/CVI的LaserM软件开发192.3.1软件的平台选择192.3.2系统软件的设计202.4温度的模糊闭环控制算法的实现252.5设备调试实验292.5.1温度控制效果验证实验292.5.2温度控制模式的激光熔覆实验302.6本章小结31第3章 温度控制模式下的激光相变硬化工艺探索323.1温度控制与恒定激光功率模式的激光相变硬化对比实验323.1.1实验方案323.1.2实验结果323.1.3实验分析343.1.4实验小结353.2温度控制模式下的激光相变硬化工艺特性实验研究353.2.1实验方案363.2.2实验结果373.2.3实验分析383.2.4实验小结393.3温度控制模式下的硬化层优化实验研究393.3.1实验方案403.3.2实验结果分析403.3.3实验小结423.4本章小结42第4章 温度控制模式下硬化层深度的仿真434.1comsol简介及仿真步骤434.2激光相变硬化的传热理论444.2.1热传导444.2.2热对流454.2.3热辐射464.3硬化层深度仿真模型的建立464.4模型的验证484.5激光相变硬化层判定条件分析504.6 仿真结果分析514.6.1相同温度下不同扫描速度分析514.6.2相同扫描速度下不同控制温度分析534.7本章小结54第五章 总结与展望565.1全文总结565.2展望57参考文献58致谢60攻读学位期间参加的科研项目和成果61IXI浙江工业大学硕士学位论文第1章 绪 论1.1 引言随着科学技术的发展，各行业对机械零件性能要求越来越高。表面改性技术对于材料性能和质量的改善有及其重要的作用。近年来激光技术发展越来越快，激光作为一种快速加热的热源，在热处理中的作用逐渐凸显出来。多年来利用大功率激光器实现材料表面激光热处理已在实践中获得证实，激光热处理技术凭借着其特有的优越性在许多工业部门都得到了广泛的应用。激光热处理主要包括激光相变硬化、激光熔覆、激光焊接以及激光合金化等多种工艺。其中，激光相变硬化技术的研究和应用较为普遍。其本质是通过大功率激光器对零件基体进行快速加热，然后在不需要冷却介质的情况下，通过零件的自冷却作用实现快速淬火。目前，激光相变硬化技术已在机械制造、石油机械、矿山机械、纺织、冶金、航空航天等领域得到了广泛应用和发展1。1.2 半导体激光器的发展及系统开发背景激光技术经历了40多年的高速发展，根据不同应用需求已经开发出种类繁多的激光器。大功率半导体激光器具有体积小、光电转化效率高、连续工作时间长、材料吸收率高等优点2-4，相比于二氧化碳激光器、YAG激光器等相比，更适用于材料的表面改性。1.2.1 半导激光器的发展自1962年半导体激光器问世以来，经过几十年的研究，半导体激光器的各项性能得到了很大的提高，其波长覆盖红外、红光到紫外光，其寿命由几百小时到几万小时，乃至百万小时，激射阈值电流由几百毫安降到几十毫安,直到亚毫安，从最初的低温(77K)下运转，发展到室温下连续工作，输出功率由几毫瓦提高到千瓦级(列阵器件)5-6。上世纪90年代中期，半导体激光器开始广泛应用到材料加工方面，使得大功率半导体激光器得到了快速发展，2000年德国成功研制了寿命在 1000小时，输出功率达 2000 W的半导体激光器，2005年德国laserline公司推出商用大功率半导体激光器，其直接输出功率高达10000 W，光纤耦合输出功率达6000 W。我国大功率半导体激光器的应用和起步较晚，近年来也取得了巨大的进步，2008年炬光科技生产的连续和准连续大功率激光器，其功率可达5000 W，可输出毫米级的矩形和圆形光斑，光斑能量可近似平顶输出7。2011年王立军团队攻克千瓦级半导体激光器散热难题，开发了6700 W激光迭阵模块；同时解决了垂直腔面发射激光器大面积二维集成面阵需大电流驱动的难题,为千瓦至万瓦级高光束质量激光面阵开发及应用奠定了基础8。张志军等人9研制了2218 W的高亮度光纤耦合模块，可直接用于金属材料的焊接、熔覆等工业领域。2013年，德国DILAS公司发布了一款多bar条输出的直接半导体激光系统，如图1-1所示，输出波长980 nm，功率最高达3 KW，可用于激光相变硬化和激光熔覆等激光表面处理。图1-1 DILAS公司的半导体直接输出激光器1.2.2 相关激光加工系统开发背景在激光加工装备的开发、应用方面，国外起步较早，进展非常迅速，在德国等一些发达国家的一些行业内形成了一定的产业链。德国Laserline公司所研制的LDF系列光纤耦合半导体激光系统，输出功率1-15 KW，电光转换效率达50%，所提供的高质量激光光束，适用于工程设备或零部件的修复和热处理。通快公司开发了DePosition Line具有粉末输送器、粉末输送线和带有粉末喷嘴的加工镜组的激光熔覆专用系统，如图1-2所示，并集成了实时在线传感器系统以确保高质量的材料熔覆。爱尔兰Laser Age.Ltd.公司在与激光技术研究所等合作中，为了满足重大零部件再制造的需求，研究与开发了一套高柔性、高精度的半导体激光熔覆再制造装备，如图1-3所示，该系统可以用来修复那些具有重大价值、但不能运输或因经济原因而停工的工程设备或零部件10。B.Grnenwald等人采用高温计对激光加工过程温度进行检测并实现了闭环反馈控制，通过对熔覆过程的激光功率适时调整，保证了激光加工过程温度的稳定。美国密西根大学J.Mazumder11研究小组开发了DMD技术，并加入了DMD反馈控制系统，该系统已进入了商品化生产阶段，其反馈控制主要包括两个方面的控制，一方面是对熔覆高度进行控制，另外一个关键控制因素是对熔池进行闭环控制，它包括熔池的尺寸、温度。图1-2 DePosition Line 激光熔覆专用系统 图1-3 Laser Age.Ltd.半导体激光熔覆装备 目前，国内的激光装备的开发虽然起步较晚，但是发展速度较快。国内武汉华工激光工程有限责任公司开发了机器人半导体激光移动修复系统，简单方便的实现了一键式操控12。湖南大学研发了一套高效率、高数字化及可移动的汽车覆盖件磨具激光表面强化和修复设备，该设备集成了3000 W的高功率半导体激光器、六轴机器人、检测控制系统、数据处理等模块，实现了异形曲面处理的创新性工艺以及机器人扫描路径的自动规划。姜淑娟，刘伟军13采用CCD摄像机完成熔池图像的采集，然后经计算机计算出加工温度，经PID-模糊控制实现加工过程温度的稳定性，实验表明该系统可以实现激光加工的实时控制，有效提高了产品的质量。此外，国内还有浙江工业大学、华中科技大学以及中科院长春光机所等国内大学和研究所也对半导体激光加工设备和工艺进行了深入的研究14-15。这些大学与研究所为我国半导体激光加工技术的发展做出了巨大贡献，缩小了与国外同行的差距，打破了国外的某些技术垄断。1.3 激光相变硬化综述及其研究现状1.3.1 激光相变硬化工艺的机理及特点(1) 激光相变硬化机理激光相变硬化是以激光作为热源的表面热处理，其相变硬化机制是当激光束扫描材料表面时，材料表面吸收激光能量后温度迅速达到极高（升温速度可达 103106 /s），此时材料内部仍然处于温度相对较低状态；激光束离开材料表面后，通过热传导，材料表面迅速把能量传递到材料内部，因此材料表层会以极高的冷却速度冷却，如此通过自身冷却进行淬火，达到材料表面相变硬化的目的16。根据上述硬化机制，激光相变硬化必须满足两个必要条件：激光对某种材料加热后达到该材料的相变温度以上，而且必须控制在材料的熔点以下；处理工件的冷却速度必须大于工件材料生成马氏体的临界冷却速度。在进行激光相变硬化时，Fe-Fe3C相图仍然是重要的理论依据。图1-4为共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线。实际上激光相变硬化的过程为过冷奥氏体的连续转变过程，由于过冷奥氏体连续冷却转变图的测定比较困难，故常用等温转变图（也就是我们常说的C曲线）近似的分析连续冷却转变的过程17。图1-4 共析钢的等温转变曲线在常规淬火时，不同钢种的加热温度是不相同的。共析钢和亚共析钢的加热温度一般在Ac1+(30-70) ，亚共析钢的加热温度一般在Ac3+(30-70) ，使钢完全奥氏体化。然后在过冷奥氏体最不稳定的C曲线鼻尖附近，即在650-500 的温度范围内，以高于生成马氏体的临界冷却速度的速度进行快速冷却，使之完全生成马氏体组织。而激光相变淬火时，由于激光加热升温速度高达104-106 /S， 因此，相变过程并不完全遵循平衡相变的规律，当加热速度大于103-104 /S时，奥氏体化开始温度和终了温度会明显向高温区移动18-20。为了获得较深的淬硬深度，试样表面加热温度允许更高一些，理论上其最高加热温度可以高到试样表面不产生熔化时的温度，这是因为整个的激光相变硬化过程是在极短的时间内完成的，这时相变温度点大大上移，且材料的晶粒在高温下几乎不会出现明显长大现象，即不会因试样过热而使激光相变硬化组织的性能下降，因此激光相变硬化的加热温度范围可以在较宽的范围内。对于奥氏体化的组织在进行自冷却的时候，必须满足冷却速度大于生成马氏体的临界冷却速度。在通常情况下，由于工件的自冷却作用产生的冷却速度大于生成马氏体的临界冷却速度，晶粒来不及长大，转化成针状或片状淬火马氏体组织。试样的表面区域在激光的作用下产生快速热循环，在这个快速的极热极冷过程中，会产生较大的过热度，这使得奥氏体的形核数目大增；又因试样的快速自冷却作用使得晶粒来不及长大，转变成极细的淬火马氏体组织。另一方面激光相变硬化的优势还在于由于奥氏体转变为马氏体，使得试样较原先体积增大4% 左右，这导致试样表面的残余压应力增加。研究表明：晶粒的细化，马氏体的较高位错密度以及碳的固溶度高是激光相变硬化获得超高硬度性能的主要原因21。(2) 激光相变硬化技术特点传统的淬火工艺原理是把材料加热到一定的温度，在该温度下保持一定的时间，然后在某个介质的作用下给予一定的冷却速度来冷却材料，以实现材料的微观组织结构发生改变，从而达到材料性能改变的目的。激光相变硬化是快速加热、快速冷却的自淬火过程。传统的淬火方式有很多的缺点：工件变形量大、内应力大容易造成工件开裂，整体淬火后一般都要进行回火；用高温火焰加热工件表面随后水冷的淬火方式主要的缺陷是加热的温度不易控制、热输入量过大、淬火质量不稳定；还有高频加热淬火不适用于形状复杂的工件、所需设备昂贵。激光相变硬化技术是一种局部的表面改性技术，与传统的淬火处理方法相比，有其无可比拟的优势。a.得到的组织晶粒细化，硬度高，其耐磨性也提高，一般不回火即能应用。通常比常规淬火得到的硬度提高 2 - 3倍，耐磨性提高3 - 4倍，同时硬化层的耐腐蚀性也大大提高，在不同的工艺参数下淬火硬化层深度通常为 0.2 - 1 mm ，因此工件被激光淬火后其表面的硬度和强度都很高，但心部还可以保持原来的高韧度，使工件获得良好的综合机械性能，甚至可使普通材料经处理后达到优质材料所具有的强度和硬度，达到节约材料降低成本的目的。另外激光淬火还可以使材料表面产生压应力,有助于提高工件的疲劳强度22。b.工件在热处理中产生的变形较小、激光加热速度快、淬火工艺周期短、生产效率较高。在激光相变硬化工艺中，工件表面的升温速度可达 104-109 /S，可以在极短的时间内把被加工区域的温度加热到相变区，激光产生的热量由工件表面向内传递，在不需要冷却介质的情况下，工件就能以较快速度通过自冷却作用进行冷却。同时激光表面淬火处理的区域仅限于工件的表面，这样工件整体的热变形就会很小，适合于高精度零件的处理。c.适用性好，可对复杂工件整体或工件的某一局部位置进行淬火。激光的特点决定了其加热区域小，激光束光斑尺寸决定激光的扫描宽度，而得到的相变硬化层深度可以通过调节激光相变硬化参数，达到几十微米到1毫米以上。激光相变硬化能较准确地控制相变硬化层的深度、面积、硬度和位置,且相变硬化层的硬度均匀性较好，因此激光表面淬火可对形状复杂的零件和局部位置进行处理，如小孔、盲孔或者薄壁件等，也可对同一工件的不同部位进行工艺参数不同的处理。d.激光相变硬化效率高，可重复性好，加工的质量较稳定。激光加工设备一般配有数控系统，使得激光相变硬化的操作简单，容易实现自动化生产，保证了工件激光相变硬化质量的稳定性。e.激光相变硬化通过工件的自冷却作用进行冷却，与传统淬火不同。不需要额外的冷却介质，能耗低，对环境没有污染，有利于保护环境。而且处理后其表面较光洁，一般情况下不需要进行后续的机械加工，可以作为机械加工的最后一道工序。然而，激光相变硬化技术也有一定的局限性，例如：由于激光的热输入量不足够大，马氏体相变硬化层较浅，所以对需表面硬化且淬硬层较浅的零件较适用。因此，激光相变硬化工艺通常应用在不需要整体淬硬，工件精度要求较高，或者用其他淬火方式难以处理，以及形状复杂需要进一步提高其硬度、耐磨性的工件上。另外，如果进行大面积的激光相变硬化，必须要解决好多道之间搭接处的回火软化问题。1.3.2 激光相变硬化的研究现状激光相变硬化技术研究工作开展较早，迄今为止，已取得许多有价值的研究成果,主要研究领域包括以下几个方面：(1) 激光相变硬化工艺加工平台的研究开发在激光加工平台的系统开发方面，前文已列举了国内、外的一系列的激光加工装备的开发情况。在激光相变硬化应用软件的开发方面，近几年来的相关研究工作开展较多，也取得了一些研究成果。文献23介绍开发了一个综合相变硬化层预测、加工模拟、工艺数据库及加工成本分析等多种功能的专用软件。文献24采用SQL数据库管理系统和二维传热数值分析模型，并且结合大量实验结果的基础之上，初步建立了激光表面强化专家系统。文献25介绍了以五维框架式激光加工机器人及激光加工软件为主体的集成化激光智能加工系统，体现了激光加工软、硬件开发研究的发展方向。(2) 激光相变硬化的基础及工艺研究这方面的研究大部分是着重于运用传热学和金属热处理等相关理论来探讨激光相变硬化的基本理论和规律。其中包括激光相变硬化的工艺研究、激光相变硬化的机理研究、相变硬化层组织形态及性能分析等。如26针对45#钢进行一系列的激光相变硬化实验，显微组织分析表明，改性层从表面至基体依次为：表面熔凝区为片状马氏体，均匀相变硬化区为隐晶马氏体，过渡区为混合马氏体、屈氏体和部分未熔的铁素体；最高硬度（约为基体的3倍）出现在次表层，激光相变硬化处理后耐蚀性有所提高，随扫描速度增加，耐蚀性增强。文献27阐述了钢和铸铁激光相变硬化机理，提出激光快速加热和金属基体自冷却作用引起的快速冷却使晶粒细化和晶体缺陷大幅度增加，但使钢的表面硬度和耐磨性均得到进一步提高；对具有片状石墨的普通灰铸铁,激光相变硬化比较容易获得明显的效果。文献28采用激光相变硬化工艺对T10钢进行激光相变硬化处理，淬硬层表面的洛氏硬度最高值为940 HV，淬硬层内的显微硬度分布均匀，从硬化区、热影响区、过渡区基材显微硬度呈梯度变化，激光相变硬化后淬硬层耐磨性分析，要比常规淬火后耐磨性提高10%左右。文献29研究了齿面激光相变硬化工艺，根据齿轮齿面的硬化层分布要求对激光扫描方法等进行了相关探索。文献30研究了激光扫描温度场对扫描速度和光斑大小变化的敏感性，认为在较小光斑下，硬化宽度对扫描速度变化的敏感性随速度的增大而增大；硬化层深度随光斑增大而变深。文献31研究了多道搭接的激光相变硬化中硬化带的分布形式对试样表面耐磨性的影响，该文章通过实验研究得到在进行多道激光相变硬化工艺时，应该使相变硬化面积占总表面积的60%，且硬化带分布的方向应与摩擦的相对运动方向呈60o夹角，这样有利于改善表面润滑条件、提高材料的耐磨性。对于激光功率和扫描速度等工艺参数与硬化层指标(表面硬度和层深等)之间相互关系的分析讨论大都是分别进行的，这就增加了激光相变硬化工艺探索及应用的难度，降低了相变硬化工艺的效率，而且还有可能在进行相变硬化处理的时候，导致工件表面过烧而报废。所以激光相变硬化中，激光加热温度控制的重要性显现出来。(3) 激光相变硬化的模拟和预测这方面的研究工作开展较早，成果较多，一直是激光相变硬化研究中的热点。通过建立相应的激光相变硬化温度场模型，进行激光扫描温度与相变硬化层深度的仿真运算，进而深入探讨激光相变硬化工艺参数对相变硬化层影响的基本规律或进行激光相变硬化结果预测。如文献32采用非稳态瞬时热源解法，导出了描述激光相变硬化时工件内部热循环过程及硬化层深度近似计算的公式，计算量小，实用简便，精确度较高。文献33建立了基于试样的有限厚度的三维瞬态传热模型，该模型考虑了传热学中对流换热的影响，进而通过实验研究了表面吸光层厚度对激光所辐照光能的吸收率的影响，并提出最佳的吸光涂层厚度范围为10 - 30 m。文献34、35和36等介绍了基于有限元和有限差分的方法进行的激光相变硬化的数值仿真模型，并考虑了工件边界的热对流和相变潜热等复杂的物理条件。他们的研究成果对于合理制定激光相变硬化工艺参数、实现激光相变硬化层深度和质量的控制具有重要参考价值。目前在这方面的主要问题是：解析模型往往难以准确描述激光扫描边界处的实际温度和硬化层分布,而三维数值模型虽然能较为形象的描述硬化层的分布，但是对马氏体相变硬化层的判定条件的阐述不够完整，仅仅以奥氏体相变温度一个条件为判据，没有考虑在自冷却作用不足的情况下出现的冷却速度低于临街面冷却速度，相变硬化不彻底的情况。1.4 温度控制模式下激光相变硬化的提出1.4.1 激光加工温度的影响因素在通常的恒定激光功率输出的激光加工过程中，激光光斑辐照处的温度并不是保持稳定不变的。影响激光加工温度的因素有很多，比如：在激光相变硬化中激光输出功率、扫描速度、光斑尺寸、材料的类型和材料表面粗糙度等都可以影响激光加工的温度；在激光熔覆工艺中除了上述影响因素之外，还有粉末的类型、送粉量、粉末的利用率等复杂因素。另外在激光相变硬化中还受到外界环境因素，散热情况、零件的形状等不可控因素的影响。1.4.2 温度控制的必要性(1) 便于激光加工工艺的复制和移植不同激光设备的激光加工工艺难以保证较好的可移植性，即使在同一台激光设备下，由于激光光束的功率密度分布在形式和范围上都随着时间而发生不确定的变化，在同一功率下，有时也会由激光器光学器件热畸变或者镜头的污染等原因造成激光功率密度分布不稳定，从而使激光加工的温度难以维持稳定状态，激光加工质量产生明显的波动现象，极大的影响激光加工的自动化进程。即使在同一功率、扫描速度和同种材料等完全相同的工艺条件下由于工件的表面粗糙度不同，或者激光加工的不同时刻的环境因素不同也会影响激光加工效，当工件表面光滑时，能量吸收率低；反射率高，而工件粗糙时，能量吸收率高，反射率低，就会造成表面硬化质量分布不均匀的情况。而如果将工件表面的温度做为最直接的一种控制对象，那么就可以解决以上因素引起的影响激光加工温度的不确定问题。(2) 提高激光加工质量在激光相变硬化工艺中，激光加工在工件的初始加工位置和加工末尾位置的质量分布不均匀。通常在激光加工末尾位置的硬化层深度较深、表面硬度大，更容易产生过烧或熔化现象；而在激光加工初始位置，硬化层深度较浅，硬化层质量较差。这是由于在激光加工的初始位置，激光输出功率产生的热量被用于了对基体的预热，所以硬化层深度较浅；在激光加工的末尾位置由于热积累效应和停光与停止激光扫描运动不同步，造成加工末尾位置受到的热量更高，硬化层深度变深，或者产生过烧或基体融化的现象。但这些影响因素的直接作用效果都是被加工材料的表面温度，可见激光加工温度是一个影响激光加工质量的重要因素，温度与硬化层的质量密切相关。稳定的激光相变硬化温度有利于得到硬化层深度恒定的相变硬化层。而且恒定温度的控制会避免激光相变硬化过程中零件边界的过烧或者融化的现象，保证稳定的激光加工质量。在激光熔覆、激光再制造等加工过程中，激光加工温度直接影响着工件的表面形貌、裂纹和气孔的产生以及熔池的稀释率等。如果温度过低，熔池的稀释率就会太小，熔池中的金属粉末就不能完全熔化，基体与熔覆层之间不能形成很好的冶金结合，结合强度不够，易脱落，熔覆层表面易形成气孔、裂纹。如果温度过高，熔覆层的稀释率过高，基体材料熔化过多，降低了熔覆层的性能，不能形成高硬度、耐腐蚀、耐磨损等特殊性能的熔覆层，同时，由于温度过高，熔覆材料就会造成烧损，增加了裂纹产生的几率37。合理的温度控制才能使获得质量较好的、没有裂纹、性能优越的熔覆层。所以，在激光加工过程中，激光加工的温度控制是非常有必要的。本课题拟构建具备温度反馈闭环控制的大功率半导体直接输出激光加工系统，研究基于温度控制条件下的激光相变硬化规律，探索建立预测、分析激光相变硬化深度的工艺仿真模型。1.5 主要研究内容及章节安排1.5.1 本文主要研究内容在激光相变硬化工艺研究中，硬化层的深度和表面质量一直是激光相变硬化技术关注的热点。通常采用的恒功率模式下激光相变硬化工艺的探索相当繁杂，需要耗费大量的时间及精力，而且过于依赖经验；另外，恒功率模式下的激光相变硬化不能对相变硬化温度进行稳定控制，容易造成很多严重影响激光相变硬化的质量的不良后果。为了