SUS304不锈钢激光打孔数值模拟及实验研究

发布时间：2020-09-21 21:34

　　激光打孔技术具有成本低、效率高和可加工范围广等优势,随着装备制造业对微小群孔加工需求的不断增加,激光打孔技术将具有愈加广阔的应用前景。由于激光打孔机理较为复杂,目前对激光打孔的理论研究尚未完全明了,特别是基于流体传热学和流体力学的激光打孔理论研究相对较少。另外现有的激光打孔技术依然存在重铸层、锥形孔和表面飞溅物等问题,还需要对激光打孔的工艺进行进一步的优化。围绕上述问题,本文在对激光与金属材料相互作用的理论研究基础上,选用在医疗、核电、航空、船舶等领域常用的SUS304不锈钢作为研究材料,从激光打孔的基础理论、数值模拟以及实验分析等方面对SUS304不锈钢激光打孔进行了深入研究。本文的主要研究工作及结论如下:(1)以流体传热学和流体力学为基础,并结合修正后的Level-Set界面追踪方法和固液混合理论建立了固-液-气三相统一的激光打孔数值模型。模型中综合考虑了反冲压力、热毛细力、表面张力、热浮力以及重力等因素的影响,并采用等效热容法处理了材料熔化和气化过程的相变潜热影响。(2)基于该模型深入分析了小孔自由界面的演变过程,包括小孔的孔径和孔深随激光作用时间的变化规律。分析了激光打孔过程的温度场和速度场,模拟结果较好的反映激光打孔过程中的材料熔化过程、气化过程以及金属蒸气的运动过程。分析了反冲压力和热毛细力两种作用力对小孔自由界面运动的影响,结果表明:反冲压力是激光打孔能够形成深孔的重要原因,热毛细力是导致熔融金属从孔的边缘溢出形成隆起的主要原因。(3)开展了基于数值模拟参数的激光打孔对比实验,主要观测了孔截面的形貌和孔口周围的飞溅物堆积情况,并结合模拟结果分析了锥孔和飞溅物形成的原因等,对比实验结果与模拟结果取得了较好的一致性,验证了模型的有效性,表明Level-Set方法在激光打孔自由界面追踪方面具有较好的适用性。结果表明:形成锥孔的原因与高斯分布的激光热源有关,孔周围的飞溅物形成与高速流动的金属蒸气和熔融金属之间的粘滞力作用有关。(4)基于正交实验法对SUS304不锈钢进行了激光打孔工艺参数优化实验,分析了脉冲能量、脉冲宽度、脉冲个数、重复频率和离焦量等参数对SUS304不锈钢激光打孔结果(包括上孔径、下孔径和孔锥度等)影响的显著性。结果表明:基于孔锥度最小时的参数组合优化得到的孔最符合上孔径、下孔径和孔锥度均较小的要求。激光打孔工艺参数优化实验得到的最优参数组合为:脉冲宽度0.5 ms、脉冲能量2.5 J、重复频率40 Hz、离焦量0 mm、脉冲个数200个。
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG142.71;TN249
【部分图文】：

激光打孔,温度场,过程

U S 3 0 4 不锈钢激光打孔数值模拟及实验研究形结果，如图 1.2 所示。2011 年褚庆臣等[43]假设材料熔融即视为去打孔模型，还分析了各激光参数对激光打孔孔形的影响。2013 年臧光工艺参数变化对激光打孔结果的影响，建立了基于 ANSYS 生死模型，计算了不同激光工艺参数下的激光打孔温度场和小孔界面演

模型图,激光焊接,科学技术学,激光打孔

基于Level-set方法的激光焊接模型

激光焊接,演变过程,熔池,速度场

2010 年韩国科学技术学院的 Park 和 Na[49]在研究激光打孔小孔成形羽对激光的吸收及散射作用。图 1.3 基于 Level-set 方法的激光焊接模型[36]Figure1.3 Laser welding model based on Level-set method[36]

【参考文献】