徐元飞答辩√

1、基于温度控制的半导体直接输出激光基于温度控制的半导体直接输出激光相变硬化研究相变硬化研究 Research of Semiconductor Direct Output Laser Transformation Hardening Based on Temperature Control答辩人：徐元飞答辩人：徐元飞 导导 师：胡晓冬师：胡晓冬 副教授副教授 浙江工业大学激光加工技术工程研究中心浙江工业大学激光加工技术工程研究中心2015.5.29机械学院硕士研究生论文答辩机械学院硕士研究生论文答辩EM浙江工业大学激光加工技术工程研究中心浙江工业大学激光加工技术工程研究中心 目 录12浙江工业大

2、学激光加工技术工程研究中心浙江工业大学激光加工技术工程研究中心研究背景和意义研究背景和意义温度可控的激光加工平台搭建温度可控的激光加工平台搭建3温度控制模式下的激光相变硬化工艺探索温度控制模式下的激光相变硬化工艺探索4温度控制模式下硬化层深度的仿真与验证温度控制模式下硬化层深度的仿真与验证56结论与展望结论与展望研究成果研究成果研究背景和意义研究背景和意义EM 激光相变硬化激光相变硬化是以激光辐照作为热源，当激光束离开是以激光辐照作为热源，当激光束离开材料表面后，材料通过自冷却进行淬火，达到材料表面硬材料表面后，材料通过自冷却进行淬火，达到材料表面硬化的目的。化的目的。影响激光加工的因素影响激

3、光加工的因素恒功率模式下激光相变硬化工艺存在的问题：恒功率模式下激光相变硬化工艺存在的问题：u硬化层深度和质量不稳定硬化层深度和质量不稳定u材料表面欠加工或者过烧材料表面欠加工或者过烧u材料的过量变形、开裂材料的过量变形、开裂研究背景和意义研究背景和意义研究背景和意义研究背景和意义EM 解决方案解决方案更高的能量吸收率和光电更高的能量吸收率和光电转换效率率转换效率率更均匀的激光相变硬化深更均匀的激光相变硬化深度和稳定的工艺特性度和稳定的工艺特性更便于激光相变硬化工艺更便于激光相变硬化工艺的机理探索与参数优化的机理探索与参数优化 1、搭建基于温度控制的、搭建基于温度控制的大功率半导体直接输出大功

4、率半导体直接输出激光加工平台激光加工平台 。 2、采用、采用基于温度控制基于温度控制的激光相变硬化工艺方案。的激光相变硬化工艺方案。3、建立激光相变、建立激光相变硬化深度仿真模型硬化深度仿真模型，优化加工工艺参数，优化加工工艺参数基于温度控制的激光基于温度控制的激光加工平台开发加工平台开发温度控制模式下的激光相温度控制模式下的激光相变硬化工艺特性的探索变硬化工艺特性的探索激光相变硬化数值仿真激光相变硬化数值仿真与实验相结合与实验相结合1 1、搭建硬件平台、搭建硬件平台2 2、设计控制软件与算法、设计控制软件与算法3 3、平台的调试实验、平台的调试实验1 1、温控制模式与恒定功率输出模式的对比实

5、验、温控制模式与恒定功率输出模式的对比实验2 2、温控模式下相变硬化工艺特性的探索、温控模式下相变硬化工艺特性的探索1 1、相变硬化仿真模型的建立、相变硬化仿真模型的建立2 2、温度场验证、温度场验证3 3、仿真与优化实验结果分析、仿真与优化实验结果分析研究背景和意义研究背景和意义EM技术路线技术路线温度可控的激光加工平台开发温度可控的激光加工平台开发系统的整体硬件结构系统的整体硬件结构温度可控的激光加工平台开发温度可控的激光加工平台开发 系统平台实物图系统平台实物图温度采集与控制模块温度采集与控制模块激光加工区域激光加工区域的温度的温度测温仪测温仪电流电压转电流电压转换模块换模块PCIPCI

6、数据采集卡数据采集卡的的A/DA/D采集采集LaserMLaserM数据数据读入读入模糊控制器模糊控制器的计算的计算数据采集卡的数据采集卡的D/AD/A输出输出激光输出激光输出功率功率温度可控的激光加工平台开发温度可控的激光加工平台开发 红外双色高温计红外双色高温计测温仪安装、调节夹具测温仪安装、调节夹具温度可控的激光加工平台开发温度可控的激光加工平台开发发明专利（201410833629.4）温度可控的激光加工平台开发温度可控的激光加工平台开发模糊控制器模糊控制器的设计：的设计：模糊控制系统原理框图模糊控制系统原理框图1a. a.论域范围论域范围b. b.定义语言定义语言变量变量c. c.引

7、入引入ke, kec, ke, kec, kuku将将e, ece, ec引引入到论域中入到论域中23根据经验规则根据经验规则得出模糊控制得出模糊控制关系关系R R45采用偏大型柯采用偏大型柯西分布的隶属西分布的隶属度函数将度函数将e e、ecec模糊化模糊化通过合成规则通过合成规则计算模糊输出计算模糊输出U=(EU=(EEC)EC)0 0 R R获得模糊控制获得模糊控制查询表查询表模糊查询表模糊查询表送粉模块的控制送粉模块的控制设定送粉量设定送粉量PCI控制板卡控制板卡的的D/A输出输出PIC12f675单片机单片机A/D采集采集脉冲发脉冲发射率射率步进电机驱步进电机驱动器动器步进电机步进电

8、机送粉量送粉量 送粉器送粉器12345678101520253035404550 powder feeding rate(g/min)sample 10g/min 20g/min 30g/min 40g/min50g/min送粉率稳定性曲线送粉率稳定性曲线温度可控的激光加工平台开发温度可控的激光加工平台开发LaserM主控软件界面图主控软件界面图软件设计流程图软件设计流程图控制软件：控制软件：软件的功能软件的功能实时检测并且通过上实时检测并且通过上述的模糊控制算法控述的模糊控制算法控制激光加工的的温度。制激光加工的的温度。进行送粉量、温度等进行送粉量、温度等工艺参数的设置工艺参数的设置温度可控

9、的激光加工平台开发温度可控的激光加工平台开发246810600800100012001400 Temperature Time s模糊控制温度响应曲线模糊控制温度响应曲线恒温控制熔覆试样的宏观形貌恒温控制熔覆试样的宏观形貌 该激光加工平台可以实现该激光加工平台可以实现温度控制模式温度控制模式下的激光加工，且温度控制下的激光加工，且温度控制效果较好。效果较好。响应时间为响应时间为0.93S；最大超调量；最大超调量1.5%；均方根误差；均方根误差2.22 ；设备测试实验设备测试实验整平台的整平台的调试调试实验：实验：温度控制模式下相变硬化工艺探索温度控制模式下相变硬化工艺探索(a) 恒功率加工初始

10、位置恒功率加工初始位置 不同控制模式下的热影响区范围不同控制模式下的热影响区范围相同点相同点：均采用：均采用2.5 mm/s2.5 mm/s的扫描速度，均加工长度为的扫描速度，均加工长度为90 mm90 mm的相变硬化带的相变硬化带不同点不同点：a a）温度控制条件下的设定温度为）温度控制条件下的设定温度为1250 1250 b b）恒定激光功率模式下的激光功率采用温度控制条件下的平均）恒定激光功率模式下的激光功率采用温度控制条件下的平均 功率功率1250 W1250 W(d) 温度控制加工末尾位置温度控制加工末尾位置(c) 温度控制加工初始位置温度控制加工初始位置 (b) 恒功率加工末尾位置

11、恒功率加工末尾位置一、温度控制与恒定激光功率的一、温度控制与恒定激光功率的对比实验对比实验逼近角较小逼近角较小过烧过烧逼近角较大逼近角较大未发生过烧未发生过烧051015202530354045504006008001000120014001600 Temperature/Distence/mm Temperature curve of melting pool in temperature controlling mode Temperature curve of melting pool in constant power mode温度与硬化深度关系对照表温度与硬化深度关系对照表温度控制模

12、式下相变硬化工艺探索温度控制模式下相变硬化工艺探索纵剖面上纵剖面上450 HV等高线等高线熔池温度变化曲线熔池温度变化曲线恒激光功率恒激光功率: :初始加工位置的硬化层深度上升缓慢，在距离起点约25mm处曲线才基本稳定；在临近结尾位置，硬化深度突然增加突然增加，硬化层深度均匀性较差较差。温度控制温度控制:初始加工位置的硬化层深度上升迅速，在距起点约5mm处就基本上达到稳定；在临近结尾位置，硬化层深度没有发生大的跃变。 温度控制模式温度控制模式下的激光相变硬化质量明显优于常规恒功率模式下的激光相变硬化质量明显优于常规恒功率模式020406080100-0.20.00.20.40.60.81.01

13、.21.4 The contour line of 450HV in temperature controlling mode The contour line of 450HV in constant power modeDistence/mmDepth/mm温度控制模式下相变硬化工艺探索温度控制模式下相变硬化工艺探索二、温度控制模式下的二、温度控制模式下的工艺特性工艺特性研究研究三因素四水平的正交实验方案三因素四水平的正交实验方案工艺参数对硬化层深度的影响规律表工艺参数对硬化层深度的影响规律表 硬化深度与各工艺参数的关系图硬化深度与各工艺参数的关系图温度控制模式下相变硬化工艺探索温度控制模

14、式下相变硬化工艺探索 在选用较大光斑的情况下在选用较大光斑的情况下温度控制模式下硬化层深度的仿真温度控制模式下硬化层深度的仿真pxyzckkktxxyyzzTTTTQ()()() 控制方程控制方程： 四个侧面和上表面对内的热通量四个侧面和上表面对内的热通量： 下表面为强制冷却边界下表面为强制冷却边界： T=293 K； 激光辐照的区域内的恒温边界热源激光辐照的区域内的恒温边界热源： 初始温度满足初始温度满足： T=293 K 0000T()|(30/ 2)(30/ 2)1090,10;10；zTyyv tBxByyqT0ext=h(T-)一、传热模型建立一、传热模型建立：模型网格图模型网格图激

15、光辐照面准稳态分布的温度场激光辐照面准稳态分布的温度场生成马氏体的判定条件生成马氏体的判定条件： TTL 且且dT/dt nLCMnSiCrNiMoCCrCrMolgVm =4.5-2.7R -0.95R-0.18R-0.38R-0.43R-1.17R-1.29R .R +0.33R.R+.温度控制模式下硬化层深度的仿真温度控制模式下硬化层深度的仿真2、临界冷却速度的确定：、临界冷却速度的确定： 文献文献56根据根据大量钢种的大量钢种的CCTCCT曲线，求出临界冷却速度曲线，求出临界冷却速度VmVm，将其与钢种成分应用电子计算机进行，将其与钢种成分应用电子计算机进行 多元回归分析，并考虑了元素

16、之间的交互作用影响，建立了线性回归方程：多元回归分析，并考虑了元素之间的交互作用影响，建立了线性回归方程：（ dT/dt930 ）二、生成马氏体的二、生成马氏体的判定判定条件：条件：温度控制模式下硬化层深度的仿真温度控制模式下硬化层深度的仿真三、三、温度场温度场验证实验：验证实验： 验证实验的示意图验证实验的示意图测温仪检测到的被监测点温度变化曲线测温仪检测到的被监测点温度变化曲线051015202530354045500200400600800100012001400试验中测温仪非测温区域 Simulation Experiment Temperature/Time/S试验中测温仪非测温区域

17、温度控制模式下硬化层深度的仿真温度控制模式下硬化层深度的仿真 小结：小结：对两条曲线做统计运算，得相关性为0.95。模拟最高温度相对于实际最高温度的误差率为4.378%，故认为此模型具有较高的准确性。模拟与实验温度变化对比图模拟与实验温度变化对比图 t=10 s，v=2 mm/S时相变硬化层分布时相变硬化层分布四、仿真结果：四、仿真结果：温度控制模式下硬化层深度的仿真温度控制模式下硬化层深度的仿真仿真得到的不同扫描速度和温度下的硬化层深度仿真得到的不同扫描速度和温度下的硬化层深度 当扫描速度过小时，由于热输入量过大和试样的体积有限，导当扫描速度过小时，由于热输入量过大和试样的体积有限，导致试样

18、表面在经过激光辐照以后的冷却速度过小。从而造成相应区致试样表面在经过激光辐照以后的冷却速度过小。从而造成相应区域的冷却速度低于材料的临界冷却速度，生成了非马氏体组织。域的冷却速度低于材料的临界冷却速度，生成了非马氏体组织。 (a)硬化层上部硬化层上部 (b)硬化层中部硬化层中部 扫描速度为扫描速度为4.25 mm/S时试样的时试样的500倍金相组织倍金相组织 (a)硬化层上部硬化层上部 (b)硬化层中部硬化层中部 扫描速度为扫描速度为2 mm/S时试样时试样的的500500倍金相组织倍金相组织一、马氏体组织相对粗大；一、马氏体组织相对粗大；二、相变产物中产生了具二、相变产物中产生了具有羽毛状特

19、征的贝氏体和有羽毛状特征的贝氏体和黑色团状拖氏体黑色团状拖氏体组织为较为致密的板条组织为较为致密的板条状和针状马氏体状和针状马氏体温度控制模式下的硬化层优化实验温度控制模式下的硬化层优化实验2.02.53.03.54.04.55.05.51.001.051.101.151.201.251.301.35 Hardening depth/(mm)Scanning depth/(mm/s) Hardening depth curve at1360 Hardening depth curve at1320 Hardening depth curve at1400实验获得的不同控制温度和激光扫描速度下的

20、硬化层深度实验获得的不同控制温度和激光扫描速度下的硬化层深度 调节激光器的离焦量调节激光器的离焦量使光斑尺寸达到使光斑尺寸达到15 15 7.0 7.0 mmmm; ; 分别设定激光相变硬分别设定激光相变硬化控制温度为化控制温度为1320 1320 、1360 1360 、1400 1400 ; ; 在每一个设定的温度在每一个设定的温度上，分别进行扫描速度为上，分别进行扫描速度为5 mm/s5 mm/s、4.25 mm/s4.25 mm/s、3.5 3.5 mm/smm/s、2.75 mm/s2.75 mm/s、2 2 mm/smm/s的激光相变硬化实的激光相变硬化实验验; ;温度控制模式下的

21、硬化层优化实验温度控制模式下的硬化层优化实验1 1、得到了、得到了1.25 mm1.25 mm左右的左右的硬化深度，而且硬化深度，而且表面形貌表面形貌良好；良好；2 2、在扫描速度较慢时，、在扫描速度较慢时，硬硬化深度下降化深度下降明显。明显。1234567890.91.01.11.21.3 Hardening depth(mm)scanning speed(mm/s) Hardening depth of experiment Hardening depth of simulation1234567890.91.01.11.21.3 Hardening depth(mm)Scanning s

22、peed(mm/s) Hardening depth of experiment Hardening depth of simulation 1360时实验和模拟得到的硬化深度时实验和模拟得到的硬化深度 1400时实验和模拟得到的硬化深度时实验和模拟得到的硬化深度 小结：小结：所建立的模型能够较为准确的预测温度控制模式下的相变硬化层的深度，所建立的模型能够较为准确的预测温度控制模式下的相变硬化层的深度，方便了温度控制模式下的激光相变硬化工艺的探索。方便了温度控制模式下的激光相变硬化工艺的探索。1234567890.91.01.11.21.3 Hardening depth (mm)Scanni

23、ng speed (mm/s) Hardening depth of experiment Hardening depth of simulation1320时实验和模拟得到的硬化深度时实验和模拟得到的硬化深度温度控制模式下的硬化层优化实验温度控制模式下的硬化层优化实验结论与展望结论与展望结论：结论： 搭建了可以实现激光加工温度控制的硬件平台，设计了实时监测和调控搭建了可以实现激光加工温度控制的硬件平台，设计了实时监测和调控激光加工温度的模糊控制策略，实验证明平台能够对激光加工温度实现良好激光加工温度的模糊控制策略，实验证明平台能够对激光加工温度实现良好控制。控制。 建立了温度控制模式下激光相变硬化仿真模型，经过实验验证发现，该建立了温度控制模式下激光相变硬化仿真模型，经过实验验证发现，该模型能够较为准确的预测激光相变硬化层深度。模型能够较为准确的预测激光相变硬化层深度。