不同材料激光加熱溫度場研究摘要：本文對半無限空間加熱〔激光加熱〕溫度場分布進(jìn)行了兩個方面的研究，主要分析了不同材料的性質(zhì)與溫度場分布的關(guān)系，以及對同一材料激光加熱溫度場變化的分析，另一方面我們分析了考慮材料相變情況下其溫度場分布。關(guān)鍵詞：半無限空間激光加熱溫度場相變隨著激光器的不斷完善，激光處理在金屬加工工業(yè)得到許多方面的應(yīng)用。不同材料由于具有不同的導(dǎo)溫系數(shù)，在激光加熱中所產(chǎn)生的溫度場分布情況也是不相同的，其分布與材料性質(zhì)、加熱溫度以及加熱時間等有關(guān)。本次我們主要研究溫度場分布與這些因素的內(nèi)在關(guān)系，希望能給激光的更廣泛應(yīng)用帶來幫助。一維情況且不考慮相變的固態(tài)問題研究1.問題的提出對于不同材料的激光加熱溫度場模型研究，限定在一維，且不考慮相變的固態(tài)問題。我們需要研究四個方面：〔1〕在加熱時間相同的情況下，不同材料溫度場的差異?！?〕同一材料，溫度場隨加熱時間的變化?！?〕同一材料，不同位置的溫度隨加熱時間的變化?！?〕對于不同材料，如何調(diào)整加熱時間，以使不同材料間的溫度分布曲線相同。考慮利用matlab編程，生成圖像來研究以上問題。我們選用Al、Cu、Fe三種材料作為研究對象。2.數(shù)學(xué)模型假定有一半無限長金屬棒，其初始溫度為t0，在x=0處以溫度為t∞的激光源進(jìn)行加熱，使這一端溫度瞬時到達(dá)t∞，假設(shè)λ不隨溫度t變化，那么其溫度t滿足：一維溫度場方程：——熱擴(kuò)散率初始條件：邊界條件：滿足以上條件的方程解為：其中：〔高斯誤差函數(shù)〕附表：鋁、銅、鑄鐵的熱擴(kuò)散率〔a〕值3.編程生成圖像在加熱時間相同的情況下，不同材料溫度場的差異。以鋁、銅及鑄鐵為例，現(xiàn)假定金屬棒初始溫度，激光加熱溫度。對三種金屬激光加熱1min、3min和10min后溫度場曲線如下：加熱10min溫度場程序如下結(jié)論：加熱相同的時間，溫度場分布大小關(guān)系為：銅>鋁>鑄鐵，說明對于不同金屬，其熱擴(kuò)散率越大，加熱相同時間溫度場也越高；而對于同一種金屬，由曲線可知，越靠近加熱端，加熱時間越長其溫度越高。同一材料，溫度場隨加熱時間的變化。以Fe為研究對象，加熱時間為1min、3min、10min時的溫度場分布如下：程序如下：結(jié)論：加熱時間越長，同一位置的金屬棒上各點(diǎn)溫度越高；另外隨著加熱時間的增加，溫度場分布曲線越來越平緩，金屬棒上各處溫度的分布越來越均勻，最終趨向于800℃同一材料，不同位置的溫度隨加熱時間的變化。分別以Al、Cu、Fe為研究對象，離加熱端分別為0.1m、0.5m、1m的位置，溫度隨加熱時間的變化如下：Fe程序如下：結(jié)論：由圖可知，同一材料，越靠近加熱源處溫度上升的越快，圖像越陡，且上升速率隨時間增加先增大后減小，最終趨于加熱源的溫度。對于不同材料，如何調(diào)整加熱時間，以使不同材料間的溫度分布曲線相同。由溫度場解析式可知，對于兩種不同材料1、2，假定其初始溫度和激光加熱溫度相同，假設(shè)兩者的熱擴(kuò)散率與加熱時間滿足，那么對于任意一個，都有從而，即兩種材料的激光加熱溫度場完全相同。以鋁、銅、鑄鐵為例，并規(guī)定鋁金屬棒加熱5min，即，那么根據(jù)以上不同加熱時間繪出三種金屬加熱后溫度場曲線如下：程序如下由上圖可見三種金屬溫度場分布曲線幾乎完全重合。因而證明對于n種不同材料在加熱時間如果滿足在相同條件激光加熱后所得的各個溫度場分布也會完全相同。二．一維情況導(dǎo)熱系數(shù)變化有相變的固態(tài)問題研究1.根本情況概述以Fe為例可以查資料得912℃以下為相912℃—1394℃間高于1394℃為相現(xiàn)假定初始溫度為25℃，激光加熱溫度為1300℃，即只在相和相之間轉(zhuǎn)換。那么當(dāng)鐵棒溫度上升到912℃時由相轉(zhuǎn)換為相。兩種相的熱擴(kuò)散系數(shù)分別為：2.有無相變情況溫度場曲線比照分別加熱時間為1min、3min和10min兩條曲線比照方下：加熱1min時程序如下：總結(jié)：從圖像中可以看出，當(dāng)考慮相變后，圖像有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。分析如下，假設(shè)不考慮相變，即始終為相，那么在任意時刻其溫度場分布曲線都是平滑的，而假設(shè)考慮相變，由于不同相的熱擴(kuò)散系數(shù)不同，導(dǎo)致其相變點(diǎn)處曲線不平滑。分析該曲線可知考慮相變情況下，相變點(diǎn)左側(cè)為，右側(cè)為，且左右兩側(cè)分別都平滑，唯一在相變點(diǎn)處突變。另外從圖像可以看出，由于比的熱擴(kuò)散系數(shù)小，因此開始時考慮了相變的曲線溫度場上升較慢，在相變點(diǎn)后，離熱源越遠(yuǎn)，考慮了相變的溫度場上升越快。2.在考慮相變的情況下加熱不同時間溫度場曲線比照每條曲線都有明顯的相變點(diǎn)，比照該曲線與不考慮相變時加熱曲線可知，在考慮相變情況下溫度的分布情況根本與不考慮相變時一致，都隨加熱時間的增加而上升，區(qū)別只是在于考慮相變時會存在相變點(diǎn)。參考文獻(xiàn)[1]蔡敏，陳金玉，單脈沖激光加熱下金屬材料的非線性溫度場研究[J]，遼寧大學(xué)學(xué)報，2001,28(