1、基于溫度控制的半導體直接輸出激光基于溫度控制的半導體直接輸出激光相變硬化研究相變硬化研究 Research of Semiconductor Direct Output Laser Transformation Hardening Based on Temperature Control答辯人：徐元飛答辯人：徐元飛 導導 師：胡曉冬師：胡曉冬 副教授副教授 浙江工業大學激光加工技術工程研究中心浙江工業大學激光加工技術工程研究中心2015.5.29機械學院碩士研究生論文答辯機械學院碩士研究生論文答辯EM浙江工業大學激光加工技術工程研究中心浙江工業大學激光加工技術工程研究中心 目 錄12浙江工業大

2、學激光加工技術工程研究中心浙江工業大學激光加工技術工程研究中心研究背景和意義研究背景和意義溫度可控的激光加工平臺搭建溫度可控的激光加工平臺搭建3溫度控制模式下的激光相變硬化工藝探索溫度控制模式下的激光相變硬化工藝探索4溫度控制模式下硬化層深度的仿真與驗證溫度控制模式下硬化層深度的仿真與驗證56結論與展望結論與展望研究成果研究成果研究背景和意義研究背景和意義EM 激光相變硬化激光相變硬化是以激光輻照作為熱源，當激光束離開是以激光輻照作為熱源，當激光束離開材料表面后，材料通過自冷卻進行淬火，達到材料表面硬材料表面后，材料通過自冷卻進行淬火，達到材料表面硬化的目的。化的目的。影響激光加工的因素影響激

3、光加工的因素恒功率模式下激光相變硬化工藝存在的問題：恒功率模式下激光相變硬化工藝存在的問題：u硬化層深度和質量不穩定硬化層深度和質量不穩定u材料表面欠加工或者過燒材料表面欠加工或者過燒u材料的過量變形、開裂材料的過量變形、開裂研究背景和意義研究背景和意義研究背景和意義研究背景和意義EM 解決方案解決方案更高的能量吸收率和光電更高的能量吸收率和光電轉換效率率轉換效率率更均勻的激光相變硬化深更均勻的激光相變硬化深度和穩定的工藝特性度和穩定的工藝特性更便于激光相變硬化工藝更便于激光相變硬化工藝的機理探索與參數優化的機理探索與參數優化 1、搭建基于溫度控制的、搭建基于溫度控制的大功率半導體直接輸出大功

4、率半導體直接輸出激光加工平臺激光加工平臺 。 2、采用、采用基于溫度控制基于溫度控制的激光相變硬化工藝方案。的激光相變硬化工藝方案。3、建立激光相變、建立激光相變硬化深度仿真模型硬化深度仿真模型，優化加工工藝參數，優化加工工藝參數基于溫度控制的激光基于溫度控制的激光加工平臺開發加工平臺開發溫度控制模式下的激光相溫度控制模式下的激光相變硬化工藝特性的探索變硬化工藝特性的探索激光相變硬化數值仿真激光相變硬化數值仿真與實驗相結合與實驗相結合1 1、搭建硬件平臺、搭建硬件平臺2 2、設計控制軟件與算法、設計控制軟件與算法3 3、平臺的調試實驗、平臺的調試實驗1 1、溫控制模式與恒定功率輸出模式的對比實

5、驗、溫控制模式與恒定功率輸出模式的對比實驗2 2、溫控模式下相變硬化工藝特性的探索、溫控模式下相變硬化工藝特性的探索1 1、相變硬化仿真模型的建立、相變硬化仿真模型的建立2 2、溫度場驗證、溫度場驗證3 3、仿真與優化實驗結果分析、仿真與優化實驗結果分析研究背景和意義研究背景和意義EM技術路線技術路線溫度可控的激光加工平臺開發溫度可控的激光加工平臺開發系統的整體硬件結構系統的整體硬件結構溫度可控的激光加工平臺開發溫度可控的激光加工平臺開發 系統平臺實物圖系統平臺實物圖溫度采集與控制模塊溫度采集與控制模塊激光加工區域激光加工區域的溫度的溫度測溫儀測溫儀電流電壓轉電流電壓轉換模塊換模塊PCIPCI

6、數據采集卡數據采集卡的的A/DA/D采集采集LaserMLaserM數據數據讀入讀入模糊控制器模糊控制器的計算的計算數據采集卡的數據采集卡的D/AD/A輸出輸出激光輸出激光輸出功率功率溫度可控的激光加工平臺開發溫度可控的激光加工平臺開發 紅外雙色高溫計紅外雙色高溫計測溫儀安裝、調節夾具測溫儀安裝、調節夾具溫度可控的激光加工平臺開發溫度可控的激光加工平臺開發發明專利（201410833629.4）溫度可控的激光加工平臺開發溫度可控的激光加工平臺開發模糊控制器模糊控制器的設計：的設計：模糊控制系統原理框圖模糊控制系統原理框圖1a. a.論域范圍論域范圍b. b.定義語言定義語言變量變量c. c.引

7、入引入ke, kec, ke, kec, kuku將將e, ece, ec引引入到論域中入到論域中23根據經驗規則根據經驗規則得出模糊控制得出模糊控制關系關系R R45采用偏大型柯采用偏大型柯西分布的隸屬西分布的隸屬度函數將度函數將e e、ecec模糊化模糊化通過合成規則通過合成規則計算模糊輸出計算模糊輸出U=(EU=(EEC)EC)0 0 R R獲得模糊控制獲得模糊控制查詢表查詢表模糊查詢表模糊查詢表送粉模塊的控制送粉模塊的控制設定送粉量設定送粉量PCI控制板卡控制板卡的的D/A輸出輸出PIC12f675單片機單片機A/D采集采集脈沖發脈沖發射率射率步進電機驅步進電機驅動器動器步進電機步進電

8、機送粉量送粉量 送粉器送粉器12345678101520253035404550 powder feeding rate(g/min)sample 10g/min 20g/min 30g/min 40g/min50g/min送粉率穩定性曲線送粉率穩定性曲線溫度可控的激光加工平臺開發溫度可控的激光加工平臺開發LaserM主控軟件界面圖主控軟件界面圖軟件設計流程圖軟件設計流程圖控制軟件：控制軟件：軟件的功能軟件的功能實時檢測并且通過上實時檢測并且通過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溫度。制激光加工的的溫度。進行送粉量、溫度等進行送粉量、溫度等工藝參數的設置工藝參數的設置溫度可控

9、的激光加工平臺開發溫度可控的激光加工平臺開發246810600800100012001400 Temperature Time s模糊控制溫度響應曲線模糊控制溫度響應曲線恒溫控制熔覆試樣的宏觀形貌恒溫控制熔覆試樣的宏觀形貌 該激光加工平臺可以實現該激光加工平臺可以實現溫度控制模式溫度控制模式下的激光加工，且溫度控制下的激光加工，且溫度控制效果較好。效果較好。響應時間為響應時間為0.93S；最大超調量；最大超調量1.5%；均方根誤差；均方根誤差2.22 ；設備測試實驗設備測試實驗整平臺的整平臺的調試調試實驗：實驗：溫度控制模式下相變硬化工藝探索溫度控制模式下相變硬化工藝探索(a) 恒功率加工初始

10、位置恒功率加工初始位置 不同控制模式下的熱影響區范圍不同控制模式下的熱影響區范圍相同點相同點：均采用：均采用2.5 mm/s2.5 mm/s的掃描速度，均加工長度為的掃描速度，均加工長度為90 mm90 mm的相變硬化帶的相變硬化帶不同點不同點：a a）溫度控制條件下的設定溫度為）溫度控制條件下的設定溫度為1250 1250 b b）恒定激光功率模式下的激光功率采用溫度控制條件下的平均）恒定激光功率模式下的激光功率采用溫度控制條件下的平均 功率功率1250 W1250 W(d) 溫度控制加工末尾位置溫度控制加工末尾位置(c) 溫度控制加工初始位置溫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、溫度控制與恒定激光功率的一、溫度控制與恒定激光功率的對比實驗對比實驗逼近角較小逼近角較小過燒過燒逼近角較大逼近角較大未發生過燒未發生過燒051015202530354045504006008001000120014001600 Temperature/Distence/mm Temperature curve of melting pool in temperature controlling mode Temperature curve of melting pool in constant power mode溫度與硬化深度關系對照表溫度與硬化深度關系對照表溫度控制模

12、式下相變硬化工藝探索溫度控制模式下相變硬化工藝探索縱剖面上縱剖面上450 HV等高線等高線熔池溫度變化曲線熔池溫度變化曲線恒激光功率恒激光功率: :初始加工位置的硬化層深度上升緩慢，在距離起點約25mm處曲線才基本穩定；在臨近結尾位置，硬化深度突然增加突然增加，硬化層深度均勻性較差較差。溫度控制溫度控制:初始加工位置的硬化層深度上升迅速，在距起點約5mm處就基本上達到穩定；在臨近結尾位置，硬化層深度沒有發生大的躍變。 溫度控制模式溫度控制模式下的激光相變硬化質量明顯優于常規恒功率模式下的激光相變硬化質量明顯優于常規恒功率模式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溫度控制模式下相變硬化工藝探索溫度控制模式下相變硬化工藝探索二、溫度控制模式下的二、溫度控制模式下的工藝特性工藝特性研究研究三因素四水平的正交實驗方案三因素四水平的正交實驗方案工藝參數對硬化層深度的影響規律表工藝參數對硬化層深度的影響規律表 硬化深度與各工藝參數的關系圖硬化深度與各工藝參數的關系圖溫度控制模式下相變硬化工藝探索溫度控制模

14、式下相變硬化工藝探索 在選用較大光斑的情況下在選用較大光斑的情況下溫度控制模式下硬化層深度的仿真溫度控制模式下硬化層深度的仿真pxyzckkktxxyyzzTTTTQ()()() 控制方程控制方程： 四個側面和上表面對內的熱通量四個側面和上表面對內的熱通量： 下表面為強制冷卻邊界下表面為強制冷卻邊界： T=293 K； 激光輻照的區域內的恒溫邊界熱源激光輻照的區域內的恒溫邊界熱源： 初始溫度滿足初始溫度滿足： T=293 K 0000T()|(30/ 2)(30/ 2)1090,10;10；zTyyv tBxByyqT0ext=h(T-)一、傳熱模型建立一、傳熱模型建立：模型網格圖模型網格圖激

15、光輻照面準穩態分布的溫度場激光輻照面準穩態分布的溫度場生成馬氏體的判定條件生成馬氏體的判定條件： 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+.溫度控制模式下硬化層深度的仿真溫度控制模式下硬化層深度的仿真2、臨界冷卻速度的確定：、臨界冷卻速度的確定： 文獻文獻56根據根據大量鋼種的大量鋼種的CCTCCT曲線，求出臨界冷卻速度曲線，求出臨界冷卻速度VmVm，將其與鋼種成分應用電子計算機進行，將其與鋼種成分應用電子計算機進行 多元回歸分析，并考慮了元素

16、之間的交互作用影響，建立了線性回歸方程：多元回歸分析，并考慮了元素之間的交互作用影響，建立了線性回歸方程：（ dT/dt930 ）二、生成馬氏體的二、生成馬氏體的判定判定條件：條件：溫度控制模式下硬化層深度的仿真溫度控制模式下硬化層深度的仿真三、三、溫度場溫度場驗證實驗：驗證實驗： 驗證實驗的示意圖驗證實驗的示意圖測溫儀檢測到的被監測點溫度變化曲線測溫儀檢測到的被監測點溫度變化曲線051015202530354045500200400600800100012001400試驗中測溫儀非測溫區域 Simulation Experiment Temperature/Time/S試驗中測溫儀非測溫區域

17、溫度控制模式下硬化層深度的仿真溫度控制模式下硬化層深度的仿真 小結：小結：對兩條曲線做統計運算，得相關性為0.95。模擬最高溫度相對于實際最高溫度的誤差率為4.378%，故認為此模型具有較高的準確性。模擬與實驗溫度變化對比圖模擬與實驗溫度變化對比圖 t=10 s，v=2 mm/S時相變硬化層分布時相變硬化層分布四、仿真結果：四、仿真結果：溫度控制模式下硬化層深度的仿真溫度控制模式下硬化層深度的仿真仿真得到的不同掃描速度和溫度下的硬化層深度仿真得到的不同掃描速度和溫度下的硬化層深度 當掃描速度過小時，由于熱輸入量過大和試樣的體積有限，導當掃描速度過小時，由于熱輸入量過大和試樣的體積有限，導致試樣

18、表面在經過激光輻照以后的冷卻速度過小。從而造成相應區致試樣表面在經過激光輻照以后的冷卻速度過小。從而造成相應區域的冷卻速度低于材料的臨界冷卻速度，生成了非馬氏體組織。域的冷卻速度低于材料的臨界冷卻速度，生成了非馬氏體組織。 (a)硬化層上部硬化層上部 (b)硬化層中部硬化層中部 掃描速度為掃描速度為4.25 mm/S時試樣的時試樣的500倍金相組織倍金相組織 (a)硬化層上部硬化層上部 (b)硬化層中部硬化層中部 掃描速度為掃描速度為2 mm/S時試樣時試樣的的500500倍金相組織倍金相組織一、馬氏體組織相對粗大；一、馬氏體組織相對粗大；二、相變產物中產生了具二、相變產物中產生了具有羽毛狀特

19、征的貝氏體和有羽毛狀特征的貝氏體和黑色團狀拖氏體黑色團狀拖氏體組織為較為致密的板條組織為較為致密的板條狀和針狀馬氏體狀和針狀馬氏體溫度控制模式下的硬化層優化實驗溫度控制模式下的硬化層優化實驗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實驗獲得的不同控制溫度和激光掃描速度下的

20、硬化層深度實驗獲得的不同控制溫度和激光掃描速度下的硬化層深度 調節激光器的離焦量調節激光器的離焦量使光斑尺寸達到使光斑尺寸達到15 15 7.0 7.0 mmmm; ; 分別設定激光相變硬分別設定激光相變硬化控制溫度為化控制溫度為1320 1320 、1360 1360 、1400 1400 ; ; 在每一個設定的溫度在每一個設定的溫度上，分別進行掃描速度為上，分別進行掃描速度為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的激光相變硬化實的激光相變硬化實驗驗; ;溫度控制模式下的

21、硬化層優化實驗溫度控制模式下的硬化層優化實驗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、在掃描速度較慢時，、在掃描速度較慢時，硬硬化深度下降化深度下降明顯。明顯。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時實驗和模擬得到的硬化深度時實驗和模擬得到的硬化深度 1400時實驗和模擬得到的硬化深度時實驗和模擬得到的硬化深度 小結：小結：所建立的模型能夠較為準確的預測溫度控制模式下的相變硬化層的深度，所建立的模型能夠較為準確的預測溫度控制模式下的相變硬化層的深度，方便了溫度控制模式下的激光相變硬化工藝的探索。方便了溫度控制模式下的激光相變硬化工藝的探索。1234567890.91.01.11.21.3 Hardening depth (mm)Scanni

23、ng speed (mm/s) Hardening depth of experiment Hardening depth of simulation1320時實驗和模擬得到的硬化深度時實驗和模擬得到的硬化深度溫度控制模式下的硬化層優化實驗溫度控制模式下的硬化層優化實驗結論與展望結論與展望結論：結論： 搭建了可以實現激光加工溫度控制的硬件平臺，設計了實時監測和調控搭建了可以實現激光加工溫度控制的硬件平臺，設計了實時監測和調控激光加工溫度的模糊控制策略，實驗證明平臺能夠對激光加工溫度實現良好激光加工溫度的模糊控制策略，實驗證明平臺能夠對激光加工溫度實現良好控制。控制。 建立了溫度控制模式下激光相變硬化仿真模型，經過實驗驗證發現，該建立了溫度控制模式下激光相變硬化仿真模型，經過實驗驗證發現，該模型能夠較為準確的預測激光相變硬化層深度。模型能夠較為準確的預測激光相變硬化層深度。