雙脈沖激光聯(lián)合打孔中的熱學(xué)和力學(xué)效應(yīng)的數(shù)值研究.pdf

1、針對毫秒激光打孔中熔融物殘留在孔內(nèi)形成重鑄層甚至導(dǎo)致小孔堵塞的現(xiàn)象，本論文采用雙脈沖激光聯(lián)合打孔方法來促進熔融物質(zhì)遷移。建立了毫秒激光與納秒激光聯(lián)合對鋁材料打孔的數(shù)值模型，利用有限元法計算了激光參數(shù)對打孔過程中物質(zhì)的遷移以及孔型的影響。
　　對毫秒激光打孔過程深入研究是后續(xù)雙脈沖激光打孔過程研究的基礎(chǔ)。首先從數(shù)值模擬的角度研究了毫秒激光打孔初期鋁材料發(fā)生固液相變的情況。得到了熔池內(nèi)馬蘭戈尼對流的速度場分布。為了探究合適的打孔用激光

2、的光斑大小，研究了光斑半徑對應(yīng)的汽化閾值以及在汽化閾值時所形成的熔池的深寬比。結(jié)果表明，激光光斑半徑越小，所對應(yīng)的熔池的深寬比越大。
　　毫秒激光打孔過程中，當鋁板發(fā)生氣液相變后，研究了以超過汽化閾值能量的毫秒激光打孔過程中，物質(zhì)的遷移形式以及所形成的孔型。得到激光光斑半徑為0.3mm時，不同激光能量輻照下的物質(zhì)遷移形式:能量低于15J時，物質(zhì)除蒸發(fā)外，有部分熔融物被擠出堆積于孔周圍;當能量大于15J時，熔融物將產(chǎn)生強烈的噴濺，噴

3、濺的速度約在8m/s量級。激光能量越高，噴濺物的噴濺速度越快。
　　雙脈沖激光聯(lián)合打孔中，采用納秒激光產(chǎn)生的等離子體沖擊波來促進物質(zhì)遷移。為了探究沖等離子體擊波對于液體的遷移作用，分別從模擬與實驗的角度對這個過程進行了研究。實驗結(jié)果表明，小孔深度由0.5mm增加至3mm，小孔內(nèi)水的質(zhì)量遷移率由88.9％降低至26.2％。進一步的數(shù)值模擬結(jié)果表明，等離子體沖擊波對于表面張力小的水作用后，水將以474m/s的速度噴出，而作用到表面張力

4、較大的鋁液表面時，所能產(chǎn)生的噴濺的速度降至180m/s左右。
　　在等離子體沖擊波對液體作用的研究基礎(chǔ)上，將沖擊波模型帶入毫秒激光打孔過程中，對雙脈沖激光打孔的過程進行了模擬。等離子體沖擊波作用后，孔內(nèi)將產(chǎn)生第二次強烈的噴濺，但由于被擠出的熔融物從孔底深處被噴出，噴濺的速度低于100m/s，噴濺的顆粒尺寸較小。對等離子體沖擊波的加載時間進行分析，得到等離子體沖擊波的加載時間越靠后，所得到小孔內(nèi)的重鑄層越薄。
　　本論文研究結(jié)