鈦合金納秒脈沖激光打孔溫度場(chǎng)模擬與工藝實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、激光打孔是一項(xiàng)重要的激光加工應(yīng)用技術(shù)，激光在特殊材料高質(zhì)量的孔加工中擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和不可替代的作用。相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械鉆孔方式，具有無機(jī)械應(yīng)力、加工精度高、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、電子、精密機(jī)械等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前許多高、精、尖產(chǎn)品的關(guān)鍵零部件是由硬度大、熔點(diǎn)高的材料制成，難加工材料小孔的優(yōu)質(zhì)、高效、低成本加工工藝的研究已成為激光打孔應(yīng)用中的研究熱點(diǎn)。
　　本文基于目前激光打孔的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，開展對(duì)鈦合金TC4納秒

2、脈沖激光打孔有限元溫度場(chǎng)數(shù)值模擬及工藝實(shí)驗(yàn)的研究，從理論、有限元模擬和實(shí)驗(yàn)三方面綜合分析比較了各激光工藝參數(shù)對(duì)打孔質(zhì)量的影響，系統(tǒng)論述了鈦合金納秒激光打孔的一般規(guī)律，以達(dá)到工藝參數(shù)優(yōu)化，提高打孔質(zhì)量的目的。本文的主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:
　　(1)從激光與金屬材料相互作用的物理過程出發(fā)，研究了納秒脈沖激光去除金屬材料的機(jī)理;系統(tǒng)地分析了納秒激光對(duì)金屬材料的加熱效應(yīng);研究了溫度、波長(zhǎng)、金屬表面粗糙度、光致等離子體等因素對(duì)金屬表面吸收

3、激光效率高低的影響。
　　(2)利用有限元軟件對(duì)TC4激光打孔溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并對(duì)激光打孔溫度場(chǎng)數(shù)值模擬中使用的關(guān)鍵技術(shù)和解決方案進(jìn)行了探索。依據(jù)熱傳導(dǎo)理論，分析并解決了激光打孔過程中熱傳導(dǎo)方程的求解問題。將有限元熱分析法應(yīng)用到溫度場(chǎng)，繼而建立了鈦合金激光打孔的物理模型和數(shù)學(xué)模型，利用一個(gè)包含相變潛熱的非線性瞬態(tài)有限元模型來實(shí)現(xiàn)打孔中溫度場(chǎng)分布的仿真。基于ANSYS12.0利用APDL語言編程對(duì)打孔過程中工件在不同時(shí)刻的

4、溫度場(chǎng)分布進(jìn)行模擬計(jì)算，分析溫度場(chǎng)變化規(guī)律，得出孔深、孔徑分別隨脈沖個(gè)數(shù)、脈沖能量變化的模擬曲線，預(yù)測(cè)孔大小并分析工藝參數(shù)對(duì)其影響。
　　(3)在理論研究的基礎(chǔ)上，利用納秒激光器對(duì)TC4進(jìn)行打孔實(shí)驗(yàn)研究和工藝分析。研究分析了脈沖能量、脈沖個(gè)數(shù)、脈沖寬度、離焦量、重復(fù)頻率等激光工藝參數(shù)對(duì)孔深、孔徑、重鑄層等的影響規(guī)律。通過比較孔深、孔徑與脈沖能量、脈沖個(gè)數(shù)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果，分析了出現(xiàn)誤差的原因，進(jìn)而驗(yàn)證了有限元數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確