激光毛化形貌成形机理的数值模拟与实验研究
发布时间：2021-10-19 13:04
近年来,激光毛化技术迅速发展,并广泛应用于汽车、建筑、家电、国防等领域,为国家和企业创造了巨大的经济效益,但是目前人们对激光毛化成形理论和规律研究并不是很充分,基于此,为深入了解激光毛化成形机理,进而实现工艺参数的可控性,对激光毛化成形进行数值模拟与试验探究是很有必要的。本文通过数值模拟与工艺试验相结合的方法,对激光毛化形貌成形机理和影响规律进行了探究。主要研究内容如下:（1）基于激光与金属材料相互作用理论分析,通过合理简化假设,采用COMSOL Multiphysics软件建立了激光毛化成形二维数值模型,忽略材料气化影响,重点研究了Marangoni对流系数的正负、激光功率和脉冲宽度对毛化形貌成形以及熔池温度场、流场、形变尺寸的影响规律,模拟结果表明:（1）Marangoni对流系数的正负是影响毛化形成的主要原因,当Marangoni对流系数为负数时,毛化形貌会呈现火山口状;当Marangoni对流系数为正数时,毛化形貌会呈现球冠状。（2）对火山口状毛化形貌成形过程模拟发现:激光功率或脉宽的增大,毛化形貌成形的几何尺寸随之增大,熔池中的对流速度、温度也随之增大,熔池内的最高温度出现在...
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
三种毛化形貌的仿真图
唯一的方法就是提高脉冲激光的峰值功率[61][62]。化的熔/凝过程分析处理时，在脉冲激光作用下，金属表层材料与脉冲激光照成熔池，液态溶质在熔池内以对流运动的形式存在，当激属材料重新冷却凝固，形成形态各异、功能各异毛化形貌材料改形改性的双重功效。在的对流分别为自然对流和 Marangoni 对流，其中自然对理现象，它主要由流体密度随温度变化而产生的热浮力驱图 2.1 所示。由于激光束能量呈高斯分布，中间能量高，量逐渐降低，作用到金属表面后，形成熔池的中心吸收周吸收的能量低，温度较低，导致中心区域的液态溶质向四。
0 0图 2.2 熔池的 Marangoni 对流Figure.2.2 The Marangoni convection of molten pool当激光作用结束后，熔池开始经历冷却凝固过程，在冷却凝固的过程中，熔池内的流场和温度场的分布决定着毛化形貌的形状。2.5 部分气化现象的产生对毛化成形的影响激光毛化处理时，由于激光能量过高，熔池内吸收的激光能量过多，导致熔池内温度升高，达到材料的气化阈值，表层金属材料部分气化，使得部分材料逃离熔池，造成能量和质量损失，一般情况下，激光毛化处理时熔池内气化速率大约是熔融速率的 1%~2%，造成的能量损失很小，可以将其忽略，但气化的金属材料分子会在气—液界面上相互碰撞形成一层 Knudsen 层，如图 2.3 所示。Knudsen 层外层区域的蒸气分子流动速度极快，不断与熔池表面发生碰撞，从而对熔池表面形成反冲压力，进而在一定程度影响熔池成形的形状[63]，最终会对
【参考文献】：
期刊论文
[1]COMSOL在激光辐照光场数值模拟中的应用[J]. 安良友志. 通讯世界. 2017(02)
[2]脉冲激光作用下45#钢表面微凸起形貌演变规律的研究[J]. 叶云霞,贾子扬,符昊,符永宏. 激光与光电子学进展. 2016(03)
[3]激光毛化形貌对轮轨材料混合润滑摩擦系数的影响[J]. 蔡宝春,王保安,孙珊珊,杨兵,任志远,王文中,杨明江,李正阳. 中国激光. 2015(06)
[4]激光毛化及该区域材料的力学性能试验[J]. 符永宏,符昊,许华,王忠领,杨守军. 江苏大学学报(自然科学版). 2013(02)
[5]轧辊表面光纤激光毛化工艺研究[J]. 张瑞华,韩帅,梁海娇,李宝磊,尹燕,张岩. 电焊机. 2012(02)
[6]国产煤矿机械发展状况与趋势研究[J]. 孔令夷. 煤矿机械. 2011(03)
[7]激光熔覆成形技术的研究进展[J]. 宋建丽,李永堂,邓琦林,胡德金. 机械工程学报. 2010(14)
[8]激光参量对脉冲激光烧蚀粒子初始参数的影响[J]. 傅广生,王世俊,丁学成,褚立志,邓泽超,梁伟华,陈超,王英龙. 人工晶体学报. 2010(S1)
[9]金属材料中激光产生熔池的数值模拟及应用[J]. 许伯强,汪昊,徐桂东,徐晨光,张子国. 江苏大学学报(自然科学版). 2010(03)
[10]激光毛化技术的评述及展望[J]. 赖鹏,张庆茂. 激光与光电子学进展. 2009(04)
硕士论文
[1]激光毛化WC-Co刀具的直角切削试验研究[D]. 顾亚励.江苏大学 2016
[2]脉冲激光作用下45#钢表面微凸起形貌研究[D]. 贾子扬.江苏大学 2016
[3]激光毛化熔池温度场与流场数值仿真研究[D]. 曹志强.东北大学 2014
[4]射频脉冲CO2激光轧辊表面毛化技术及工艺实验研究[D]. 朱明珠.华中科技大学 2006
本文编号：3444927
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
三种毛化形貌的仿真图
唯一的方法就是提高脉冲激光的峰值功率[61][62]。化的熔/凝过程分析处理时，在脉冲激光作用下，金属表层材料与脉冲激光照成熔池，液态溶质在熔池内以对流运动的形式存在，当激属材料重新冷却凝固，形成形态各异、功能各异毛化形貌材料改形改性的双重功效。在的对流分别为自然对流和 Marangoni 对流，其中自然对理现象，它主要由流体密度随温度变化而产生的热浮力驱图 2.1 所示。由于激光束能量呈高斯分布，中间能量高，量逐渐降低，作用到金属表面后，形成熔池的中心吸收周吸收的能量低，温度较低，导致中心区域的液态溶质向四。
0 0图 2.2 熔池的 Marangoni 对流Figure.2.2 The Marangoni convection of molten pool当激光作用结束后，熔池开始经历冷却凝固过程，在冷却凝固的过程中，熔池内的流场和温度场的分布决定着毛化形貌的形状。2.5 部分气化现象的产生对毛化成形的影响激光毛化处理时，由于激光能量过高，熔池内吸收的激光能量过多，导致熔池内温度升高，达到材料的气化阈值，表层金属材料部分气化，使得部分材料逃离熔池，造成能量和质量损失，一般情况下，激光毛化处理时熔池内气化速率大约是熔融速率的 1%~2%，造成的能量损失很小，可以将其忽略，但气化的金属材料分子会在气—液界面上相互碰撞形成一层 Knudsen 层，如图 2.3 所示。Knudsen 层外层区域的蒸气分子流动速度极快，不断与熔池表面发生碰撞，从而对熔池表面形成反冲压力，进而在一定程度影响熔池成形的形状[63]，最终会对
【参考文献】：
期刊论文
[1]COMSOL在激光辐照光场数值模拟中的应用[J]. 安良友志. 通讯世界. 2017(02)
[2]脉冲激光作用下45#钢表面微凸起形貌演变规律的研究[J]. 叶云霞,贾子扬,符昊,符永宏. 激光与光电子学进展. 2016(03)
[3]激光毛化形貌对轮轨材料混合润滑摩擦系数的影响[J]. 蔡宝春,王保安,孙珊珊,杨兵,任志远,王文中,杨明江,李正阳. 中国激光. 2015(06)
[4]激光毛化及该区域材料的力学性能试验[J]. 符永宏,符昊,许华,王忠领,杨守军. 江苏大学学报(自然科学版). 2013(02)
[5]轧辊表面光纤激光毛化工艺研究[J]. 张瑞华,韩帅,梁海娇,李宝磊,尹燕,张岩. 电焊机. 2012(02)
[6]国产煤矿机械发展状况与趋势研究[J]. 孔令夷. 煤矿机械. 2011(03)
[7]激光熔覆成形技术的研究进展[J]. 宋建丽,李永堂,邓琦林,胡德金. 机械工程学报. 2010(14)
[8]激光参量对脉冲激光烧蚀粒子初始参数的影响[J]. 傅广生,王世俊,丁学成,褚立志,邓泽超,梁伟华,陈超,王英龙. 人工晶体学报. 2010(S1)
[9]金属材料中激光产生熔池的数值模拟及应用[J]. 许伯强,汪昊,徐桂东,徐晨光,张子国. 江苏大学学报(自然科学版). 2010(03)
[10]激光毛化技术的评述及展望[J]. 赖鹏,张庆茂. 激光与光电子学进展. 2009(04)
硕士论文
[1]激光毛化WC-Co刀具的直角切削试验研究[D]. 顾亚励.江苏大学 2016
[2]脉冲激光作用下45#钢表面微凸起形貌研究[D]. 贾子扬.江苏大学 2016
[3]激光毛化熔池温度场与流场数值仿真研究[D]. 曹志强.东北大学 2014
[4]射频脉冲CO2激光轧辊表面毛化技术及工艺实验研究[D]. 朱明珠.华中科技大学 2006
本文编号：3444927
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