介质环境对激光热加工温度与应力影响的三维模拟研究

本文主要探讨了浸没式介质环境对基体表面激光热加工过程的影响。研究者基于材料的热物理性质和对流换热系数的非线性特性，构建了一个三维数值模型，以空气、纯水和2#分级油作为不同的介质环境，采用连续气流保护熔池。模型模拟了在这些自然冷却条件下，基体在激光热加工过程中的温度场和残余应力分布。 研究结果显示，尽管三种环境下的温度场在基本规律上相似，但具体表现有所不同。在空气中，基体表面的温度最高，这可能是因为空气的热导率较低，导致热量散失较慢。相比之下，油冷环境下，由于油的热导率较高，能有效地控制重熔区和热影响区的深度，从而实现更好的温度控制。而在水冷环境中，由于水的高热导率和较大的比热容，材料表面可以得到更大的温度梯度和更快的冷却速度，这对于减小热影响和控制加工精度尤其有利。 关于残余应力的分布，空冷条件下，基体内部的应力较大，且在两端有应力集中，总体上以拉应力为主。然而，在油和水的冷却环境中，由于热应力得到了有效的释放，基体内的应力水平显著降低。其中，水冷环境对于降低残余应力的效果最为明显，可能是由于水的冷却作用能迅速带走热量，防止过高的温度累积导致的应力产生。 总结来说，浸没式介质环境对激光热加工过程具有显著影响，选择合适的冷却介质能够优化温度控制，减少热影响，同时有助于改善残余应力分布，提高加工质量和效率。这项研究对于优化激光热加工工艺，特别是在航空航天、精密制造等对材料性能要求极高的领域，具有重要的理论和实践价值。