鋁合金表面激光加工熱效應(yīng)仿真與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、鋁合金由于具有密度低、強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱性好、導(dǎo)電性好、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)制造中。但是隨著科學(xué)技術(shù)以及工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對鋁合金的性能提出了更高的要求，一般的鋁合金硬度低、耐磨性差，難以滿足各方面的技術(shù)要求。通過激光加工改變材料表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)的表面改性技術(shù)可以顯著改善鋁合金的表面性能。但是，激光加工過程極快，對激光加工瞬態(tài)過程進(jìn)行完整、準(zhǔn)確地測試十分困難。為解決此類問題，本文開展了鋁合金表面激光加工的熱效應(yīng)仿

2、真和實(shí)驗(yàn)研究，主要從以下幾個方面展開:
　　建立鋁合金表面激光加工溫度場分布的理論模型。通過對激光加工機(jī)理和激光輻照金屬表面的主要發(fā)生的物理現(xiàn)象展開論述，建立了激光輻照金屬材料表面的理論模型以及求解材料溫度場分布的熱傳導(dǎo)方程，為下一步鋁合金表面激光加工的有限元仿真和實(shí)驗(yàn)研究提供了理論依據(jù)。
　　為分析激光功率和掃描速度對加工質(zhì)量的影響，建立單條激光軌跡輻照鋁合金表面進(jìn)行激光加工的有限元仿真模型。COMSOL Multiphy

3、sics的建模仿真過程主要包括物理場的選擇、模型的建立以及材料參數(shù)的定義、網(wǎng)格的劃分以及計(jì)算求解等。在建立激光輻照鋁合金表面的仿真模型時，選擇“固體傳熱”物理場，將激光束看作熱源，考慮激光熱作用下的熱傳導(dǎo)、表面對環(huán)境輻射和冷卻對流等邊界條件。激光功率影響激光能量密度，掃描速度影響激光作用的時間，通過調(diào)整激光參數(shù)，得到不同激光功率和掃描速度下的仿真結(jié)果。仿真結(jié)果主要包括不同時刻和不同材料位置處的材料溫度、熔化氣化深度、寬度和面積、冷卻速率

4、和溫度梯度，它們與激光功率成正比，與掃描速度成反比，且越接近激光束的中心位置越大。
　　為分析激光填充線間距對激光加工質(zhì)量的影響，建立多軌跡激光輻照鋁合金表面進(jìn)行激光加工的有限元仿真模型。在此仿真過程中，除了考慮激光功率和掃描速度的影響外，還要考慮填充線間距對激光加工的影響。激光線間距會影響激光輻照在材料表面的總時間和激光束之間的重疊率。激光線間距越小，激光束作用下材料區(qū)域受上一條激光軌跡的預(yù)熱影響更明顯，有較高的初始溫度，故材料

5、溫度更高，氣化率更大。
　　在鋁合金表面進(jìn)行激光加工實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)得到的加工深度與仿真結(jié)果相近，證明仿真模型是正確有效的，為實(shí)際的激光加工提供工藝參數(shù)指導(dǎo)。進(jìn)行鋁合金表面激光加工實(shí)驗(yàn)，分別在材料表面加工出點(diǎn)陣狀、直線和網(wǎng)格圖案。激光加工后鋁合金材料表面顯微硬度明顯提高，且材料表面加工出點(diǎn)陣狀圖案后顯微硬度最大，網(wǎng)格圖案次之，直線圖案最小。且有增加材料表面摩擦穩(wěn)定性，降低摩擦系數(shù)的作用，且加工密度越大，材料表面摩擦系數(shù)越小，減磨效果越好