一种测定高能束冲击平面时热流密度的方法技术

本发明专利技术公开了一种测定高能束冲击平面时热流密度的方法。根据高能束在空气中传播时，截面热流密度大致遵循高斯分布的特性，当高能束作用于铁基材料一段时间后，材料会产生月牙形相变硬化，此月牙形相变区域的尺寸能直接反映出高能束的热流密度分布规律。通过仿真软件拟合，并调整系数得到相同相变区，进而将系数带入热流密度分布公式中，可得到截面热流密度分布。该发明专利技术所述方法，操作简单，无需专用接收靶板；能够得到连续的热流密度分布方程；且适用范围广极广。

【技术实现步骤摘要】
一种测定高能束冲击平面时热流密度的方法
本专利技术涉及一种测定高能束冲击平面时热流密度的方法。
技术介绍
高能束，通常指激光、电子束和离子束，其共同特征是供给材料表面的功率密度≥103w/cm2。随着传统制造业的升级，高能束加工已成为现代最为先进的制造技术之一，被誉为“21世纪的加工”。因其具有功率密度高、作用时间短、加热过程为非接触式、可控性良好及环境友好等综合优势，高能束加工逐渐成为研制高、精、尖武器装备的关键技术，在工业所占比重也越来越大，进而成为衡量一个国家工业制造水平的重要指标之一。高能束加工领域更是涵盖了焊接、切割、刻蚀、表面改性、喷涂、以及气相沉积等各个方面，在航空航天、船舶、兵器、核能、交通、医疗等诸多领域发挥着重要作用。高能束加工的质量及应用发展与高能束的束流品质密切相关，束流品质主要有两方面内涵：一是稳定性，二是束流的形态和能量分布。因此，通过对束流的距离喷口不同截面冲击平面时进行热流密度测定，进而分析束流状态和能量分布是否良好，对加工能力和加工质量的提高都有着极为重要的作用，但是，由于高能束的能量和温度极高，难以采用直接测定的方式精确获得其热流密度的分布规律。
技术实现思路
本专利技术提出了一种应用材料表面相变硬化，通过实验及仿真拟合以测定高能束在特定截面冲击平面时热流密度分布的方法。高能束的显著特点是其热流密度在径向上均匀分布和轴向上的递减梯度小。其特点为高能束任一截面的热流密度分布形式一般都是服从高斯分布的。用式1-1表达如下：(1-1)式中，qHm是最大热流密度，r是距离热斑中心的距离，截面热斑内总的热能(Q)表达为式1-2：(1-2)因此，(1-3)总热能（Q）的95%将会集中在这个热斑内，因此，Q和k的关系式可表达为式1-4：(1-4)简化式1-4可得：(1-5)Q是与高能束输入功率相关的，可以表示为式1-6：(1-6)式中P是高能束的输入功率，β是一个与热损失（由于高能束的冷却系统和发生器喷口与基材表面的距离）相关的系数，η是热吸收率，它与基材的热物性参数有关。联立1-3、1-5、1-6式可得式1-7如下：(1-7)为了简化计算，减少未知量的个数，采用一个相应的常系数δ，而且δ的表达式为式1-8：(1-8)因此，qH(r)可以被表达为式1-9：(1-9)当高能束作用于铁基材料一段时间后，材料会产生月牙形相变硬化，其所获得的热影响区的尺寸能直接反映出高能束的热流密度分布规律。基于此原理，通过在数值模拟中设置与实验相同的工艺参数，并调整系数得到相同相变区，进而将系数带入热流密度分布公式（1-9）中，可得到截面热流密度分布。其具体测定步骤如下：步骤1：选择一种铁基材料，加工为设定的标准形状作为基材，将基材表面与高能束发生器喷口的距离调整为垂直距离d=1~500mm，然后将扫描速度设定为不会令基材表面产生熔化的速度10mm/min~3000mm/min，再进行单道淬火硬化操作;步骤2：沿硬化截面将基材切割，经打磨抛光腐蚀后，在显微镜下观测硬化区尺寸（宽度W与深度D）;步骤3：设定初始参数δ与rH，δ为与热效率、基材种类、垂直距离d相关的系数，范围在0.1~0.7之间，rH的初始值为硬化区宽度D；步骤4：使用有限元软件对硬化过程进行数值仿真，设置仿真参数为实验所用工艺参数，根据材料发生奥氏体化的临界温度划分出模拟硬化区，并得到模拟硬化区的宽度W1和深度D1;步骤5：调整δ与rH,使得模拟硬化区的宽度W1和深度D1与实际硬化区的宽度W和深度D尺寸大致相同；步骤6：将δ与rH带入公式（P为功率，r为距圆斑中心距离）中，即可得到高能束在距离喷口d处的热流密度分布。本专利技术所述的一种测定高能束热流密度的方法具有以下优点：1.操作简单，无需专用接收靶板。由于采用铁基材料的硬化区作为测量热流密度的标准，只需常见的铁基材料作为基材，无需制作专用接收靶板及在靶板上安装专业探头。实验过程简单易操作，由于不需要布置探头，避免了因探头因不一致性产生的误差，且测定过程所需花费较少；2.能够得到连续的热流密度分布方程。通过有限元仿真拟合的热影响区，与实际硬化区对比，将得到的参数值代入公式中，可以得到完整的连续方程；3.适用范围广。本专利技术所述的测定方法，广泛地适用于各种高能流体，只需调整基材种类及扫描速度，均能够得到硬化区，并进一步拟合仿真得到热流密度分布。附图说明图1是高能束发生器与待淬火基材结构图，其中(1)是等离子发生器，(2)是基材，(3)是等离子焰流；图2是实施例工作图；图3是热影响区检测截面图；图4是热影响区仿真截面图。具体实施方式以下通过实施例对本专利技术所述测定高能束冲击平面时热流密度的方法作进一步说明。实施例一以等离子为高能束，U75V为基材（尺寸为200×100×15mm），将基材与等离子发生器如图1所示位置固定，距离d为4mm，打开等离子发生器，输入功率是11.3kW，并使其以速度v=900mm/min扫描基材表面，待其自然冷却后，沿硬化截面将基材切割，经打磨抛光腐蚀后，在显微镜下观测硬化区尺寸，宽度W=10.3mm，深度D=1.5mm。进行有限元仿真，调整δ与rH使仿真结果中热影响区的宽度W1=10mm≈W=10.3mm，D1=1.5≈D=1.5mm,得到δ与rH分别为0.67与9.5，热流密度分布为：（r为距圆斑中心）。实施例二以等离子为高能束，U75V为基材（尺寸为200×100×15mm），将基材与等离子发生器如图1所示位置固定，距离d为10mm，打开等离子发生器，输入功率是11.3kW，并使其以速度v=800mm/min扫描基材表面，待其自然冷却后，沿硬化截面将基材切割，经打磨抛光腐蚀后，在显微镜下观测硬化区尺寸，宽度W=8.2mm，深度D=1.1mm。进行有限元仿真，调整δ与rH使仿真结果中热影响区的宽度W1=8.6mm≈W，D1=1.1≈D,得到δ与rH分别为0.42与8.1，热流密度分布为：（r为距圆斑中心）。实施例三以等离子为高能束，U75V为基材（尺寸为200×100×15mm），将基材与等离子发生器如图1所示位置固定，距离d为20mm，打开等离子发生器，输入功率是11.3kW，并使其以速度v=650mm/min扫描基材表面，待其自然冷却后，沿硬化截面将基材切割，经打磨抛光腐蚀后，在显微镜下观测硬化区尺寸，宽度W=6mm，深度D=0.6mm。进行有限元仿真，调整δ与rH使仿真结果中热影响区的宽度W1=5.8mm≈W，D1=0.7≈D,得到δ与rH分别为0.18与6.2，热流密度分布为：（r为距圆斑中心）。最后需要说明，以上实施案例仅用于说明本专利技术的技术方案而非限制，本领域技术人员应当理解，对本专利技术的技术方案进行修改或者是等同替换，而脱离本专利技术的宗旨和范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围当中。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种测定高能束冲击平面时热流密度的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：选择一种铁基材料，加工为设定的标准形状作为基材，将基材表面与高能束发生器喷口的距离调整为垂直距离d=1~500mm，然后将扫描速度设定为不会令基材表面产生熔化的速度10mm/min~3000mm/min，再进行单道淬火硬化操作;步骤2：沿硬化截面将基材切割，经打磨抛光腐蚀后，在显微镜下观测硬化区尺寸（宽度W与深度D）;步骤3：设定初始参数δ与rH，δ为与热效率、基材种类、垂直距离d相关的系数，范围在0.1~0.7之间，rH的初始值为硬化区宽度D；步骤4：使用有限元软件对硬化过程进行数值仿真，设置仿真参数为实验所用工艺参数，根据材料发生奥氏体化的临界温度划分出模拟硬化区，并得到模拟硬化区的宽度W1和深度D1;步骤5：调整δ与rH,使得模拟硬化区的宽度W1和深度D1与实际硬化区的宽度W和深度D尺寸大致相同;步骤6：将步骤5得到的

【技术特征摘要】
1.一种测定高能束冲击平面时热流密度的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：选择一种铁基材料，加工为设定的标准形状作为基材，将基材表面与高能束发生器喷口的距离调整为垂直距离d=1~500mm，然后将扫描速度设定为不会令基材表面产生熔化的速度10mm/min~3000mm/min，再进行单道淬火硬化操作;步骤2：沿硬化截面将基材切割，经打磨抛光腐蚀后，在显微镜下观测硬化区尺寸（宽度W与深度D）;步骤3：设定初始参数δ与rH，δ为与热效率、基材种类、垂直距离d相关的系数，范围在0.1~0.7之间，rH的初始值为硬化区宽度D；步骤4：使用有限元软件对硬化过程进行数值仿真，设置仿真参数为实验所用工艺参数，根据材料发生奥氏体化的临界温度划分出模拟硬化区，并得到模拟硬化区的宽度W1和深度D1;步骤5：调整δ与rH,使得模拟硬化区的宽度W1和深度D1与实际硬化区的宽度W和深度D尺寸大致相同;步骤6：将步骤5得到的δ与rH带入公式（P为功率，r为距圆斑中心距离）中，即可得到高能束在距离喷口d处的热流密度分布。2.根据权利要求1中所述测定高能束冲击平面时热流...

【专利技术属性】
技术研发人员：余德平，段亚洲，徐继业，邱吉尔，李磊，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51