基于激光点热源非稳态传热模型测固体材料热物性参数

提出一种基于激光点热源非稳态传热模型测各向同性固体材料热物性参数的新方法.引入镜像热源理论修正绝热边界对测点温升的影响,建立数学模型,利用数值解法结合计算机编程计算材料导热系数和热扩散率,并研制了热物性测试系统.利用真空泵获得试样容器内的低真空环境,由激光发生器发射激光束加热试样一角,温度传感器测量试样上表面温度,通过无线信号发射单元监测温度变化情况.对硼硅玻璃(Pyrex7740)、大理石、硅藻土耐火砖、硅砖和锆质砖进行热物性综合测试.结果表明:前4种导热系数相对较低的试样的测试值与参考值的相对偏差最大不超过2.76%,测试精度较高.导热系数相对较大的锆质砖的测试值与参考值的相对偏差达到了6.38%,测试精度较低.测试系统不确定度分析也表明,被测试样导热系数越大,测试值与真值间的可信度越低,本装置更适用于导热系数小于3.0 W/(m·K)的固体材料.

激光点热源作用下动态微变形的数值模拟与校验

采用MSC.Marc非线性有限元软件,对试件在激光点热源作用下动态微变形过程进行了数值模拟。通过激光反射放大系统测量了试件在激光点热源作用下的动态微变形过程。模拟值与实测值的结果表明:热应力和相变应力的共同作用使得试件产生微变形,最终试件的变形方向取决于热应变和相变共同作用的结果,朝向激光束或背向激光束。比较实验值和模拟值,发现变形的最大值相近,变形过程却略有不同。考虑到激光点热源作用下有限厚度的试件内,温度场分布出现的反常效应,即内部的温度大于边界温度,提出采用波动理论修正经典的热传导计算模型,可望有效地提高模拟过程的计算精度。结论为进一步研究薄板激光弯曲的变形机理及变形过程奠定了基础。

激光点热源作用下试件内部热传导的实验研究

通过红外热像仪测温装置,对有限厚度试件在激光点热源作用下热作用区侧面温度分布进行实时测量。结果表明:对于小厚度的试件,材料内部温度分布与用傅立叶定律得到的结果完全相反,材料内部的温度高于边界温度。对比短脉冲激光作用下产生非傅立叶效应的条件,它们之间有很大差异,由此提出将实验中出现的非常规现象定义为泛傅立叶效应,认为它是由于热量传播到边界时发生反射、叠加等波动行为所致。

非晶合金晶化曲线的研究

采用静置激光点热源重熔技术,对非晶合金重熔后的晶化特征进行分析。结果表明,热影响区(HAZ)的晶化趋势大于熔化区(MZ),在热影响区和母材的交界位置,合金处于即将晶化而又未晶化的临界状态,晶化曲线与临界位置的热循环曲线相切。根据相切原理,通过数值模拟不同重熔条件下临界位置的热循环曲线,建立了用于直观预测焊接工艺参数的非晶合金Zr48Cu45Al17晶化曲线。