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

1、針對毫秒激光打孔中熔融物殘留在孔內形成重鑄層甚至導致小孔堵塞的現(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。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的汽化閾值以及在汽化閾值時所形成的熔池的深寬比。結果表明，激光光斑半徑越小，所對應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遷移形式:能量低于15J時，物質除蒸發(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。實驗結果表明，小孔深度由0.5mm增加至3mm，小孔內水的質量遷移率由88.9％降低至26.2％。進一步的數(shù)值模擬結果表明，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，所得到小孔內的重鑄層越薄。
　　本論文研究結