鈦合金納秒脈沖激光打孔溫度場模擬與工藝實驗研究.pdf

1、激光打孔是一項重要的激光加工應(yīng)用技術(shù)，激光在特殊材料高質(zhì)量的孔加工中擁有獨特的優(yōu)勢和不可替代的作用。相對于傳統(tǒng)的機械鉆孔方式，具有無機械應(yīng)力、加工精度高、效率高等優(yōu)點，在航空航天、電子、精密機械等眾多領(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。
　　本文基于目前激光打孔的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，開展對鈦合金TC4納秒

2、脈沖激光打孔有限元溫度場數(shù)值模擬及工藝實驗的研究，從理論、有限元模擬和實驗三方面綜合分析比較了各激光工藝參數(shù)對打孔質(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。本文的主要研究內(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理;系統(tǒng)地分析了納秒激光對金屬材料的加熱效應(yīng);研究了溫度、波長、金屬表面粗糙度、光致等離子體等因素對金屬表面吸收

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

4、溫度場分布進行模擬計算，分析溫度場變化規(guī)律，得出孔深、孔徑分別隨脈沖個數(shù)、脈沖能量變化的模擬曲線，預(yù)測孔大小并分析工藝參數(shù)對其影響。
　　(3)在理論研究的基礎(chǔ)上，利用納秒激光器對TC4進行打孔實驗研究和工藝分析。研究分析了脈沖能量、脈沖個數(shù)、脈沖寬度、離焦量、重復(fù)頻率等激光工藝參數(shù)對孔深、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、脈沖個數(shù)關(guān)系的實驗和模擬結(jié)果，分析了出現(xiàn)誤差的原因，進而驗證了有限元數(shù)值模擬結(jié)果的準確