超声振动-磁场辅助激光制孔机理及规律研究
发布时间：2021-02-17 18:08
为了增大发动机的推重比,进一步提高发动机热端零部件的工作性能和使用寿命,工业上普遍使用脉冲激光在热端零部件上加工制造出大量的微孔。由于激光制孔的热物理过程会导致重铸层和微裂纹等缺陷,影响零部件的寿命和性能。为了减小或消除这些缺陷,提高微孔的质量和性能,本文对超声振动-磁场辅助激光制孔进行了系统的研究。本文对有/无超声辅助条件下不锈钢工件激光环切方形槽孔或方形阵列孔产生的应力场进行了数值模拟,分析了超声对工件瞬态及残余应力场分布的影响机理与规律。基于实验结果对建立的模型进行了修正,使用有限元方法（FEM）结合自行开发的子程序,系统分析了激光制孔产生的瞬态应力和残余应力的分布特征。总体而言,超声辅助对应力场的分布趋势影响较小,但有效降低了工件各方向的应力值。基于高速摄像技术,本文设计了激光制孔实时监测系统,系统的分析了超声振动-磁场辅助对激光冲击打孔的影响机理。使用高速摄像机监测了辅助气体、磁场辅助和超声振动辅助下激光冲击盲孔和通孔的瞬态演变过程及物理现象,研究了其对激光制孔效率和质量的影响,分析了超声振动-磁场辅助对激光冲击打孔方式下金属蒸汽-光致等离子体形态、孔口形貌、重铸层和显微硬度...
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：101 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
毫秒激光加工中心（LASERTEC80PowerDrill）
500mm和700mm，B轴、C轴可实现360°的全方位旋转。该设备的定位精度为1μm，满足高精度的激光制孔实验要求。所配备的激光器为毫秒脉冲Nd:YAG激光器，波长为1064nm。其激光波长较长、脉宽较大、性能稳定。该激光器1ms内能达到的最大脉冲峰值功率为20kW，3ms内能达到的最大脉冲峰值功率为16kW，其平均功率最大可达到0.3kW，其最大的输出脉冲能量可达50J，激光的脉冲频率范围为0.1至500Hz，脉冲宽度的变化范围为0.1至20ms，激光光斑直径为0.3至1mm。该设备打孔速度快，打孔周期短，性能稳定，能良好的进行激光微孔加工实验。图2.2所示为高功率飞秒激光微纳加工系统，主要用于薄片金属激光微纳群孔加工、各种材质的打孔、切割及划线加工，也可用于激光打标、ITO、纳米银蚀刻，尤其适合在陶瓷、玻璃、硅片、碳化硅、金属等材料上进行高精密打孔。该设备配备的激光器为飞秒激光器，具有瞬时功率大、热效应小等特点，特别适合微孔加工，最小加工孔径可达20μm。图2.2高功率光纤飞秒激光微纳加工系统Fig.2.2High-powerfemtosecondfibrelasermicro-nanomachiningandprocessingsystemused该设备是双工位激光精密加工设备，其中，左工位为振镜系统，右工位为螺旋模组切割系统。左工位振镜系统的飞秒激光经过设备内部的光学系统后，被扩束并最终聚焦成直径为20至30μm的光斑。该焦斑作用在材料表面后，材料吸收能量后将直接发生气化，最大程度地减少了重铸层现象的产生。右工位螺旋模组切割系统的飞秒激光经旋转模组后形成一个直径约为50μm的旋转光斑。通过控制棱镜的旋转实现对激光
超声振动-磁场辅助激光制孔机理及规律研究12束的旋转控制，结合工艺参数、平台参数等其他配套设置，使激光加工能够实现更大的深径比，加工更厚材料的同时减小锥度。该设备可实现激光焦斑位置的精确控制，定位精度可达微米级别。在普通聚焦加工以外，也可以实现正离焦、负离焦等多种工艺的加工。如图2.3所示为本文所用的高速摄像机。该高速摄像机具有超高灵敏度，采用1280×800的CMOS传感器。当分辨率设定为该设备的满幅分辨率时，拍摄速率为25700帧/秒，而当分辨率设定为该设备的最低分辨率时，其拍摄速率可达677000帧/秒。此台高速摄像机的最小曝光时间为1μs，无图像滞后，可以满足PIV/PTV/LIF/DIC等应用的需求。该高速摄像机具有的EDR曝光控制功能可在1帧图像中设置2种曝光时间，该功能有效避免了强光或眩光对拍摄过程中成像的影响。通过连接外部存储器，该高速摄像机可拍摄较长时间的高速物体的瞬态运动过程。该设备可连接监视器实时显示拍摄图像，也可连接计算机，通过使用图像处理软件逐帧显示所拍摄的视频。图2.3高速摄像机（型号为PhantomV2512-144G）Fig.2.3High-speedcameraused(PhantomV2512-144G)图2.4为超声振动-磁场辅助毫秒激光冲击打孔实时监测系统的示意图，该系统所用的超声辅助装置包括水箱、振动平台、超声控制器与专用夹具。超声控制器控制振动平台产生超声振动，并通过水介质传递到试样上，调节超声控制器的电流大小可得到不同强度的超声振动。磁场辅助装置由两块磁铁与专用夹具组成，两块磁铁放置于工件所在的水平面以产生横向磁常使用不同型号的磁铁或改变磁铁间的间距可以获得不同的磁场强度，通过高斯计对两块磁铁之间的区域进行多次测量，可以获得加工
【参考文献】：
期刊论文
[1]航空航天用镁合金的研究进展[J]. 蒋斌,刘文君,肖旅,董含武,张娜,程仁菊,宋江凤,张丁非,潘复生. 上海航天. 2019(02)
[2]基于深孔加工技术的应用探讨[J]. 周瑜哲. 山东工业技术. 2018(18)
[3]钛合金纳秒激光打孔数值模拟和实验研究[J]. 刘丹,孔德新,苗在强,张昕. 强激光与粒子束. 2018(06)
[4]超声冲击处理对高强钢焊接接头残余应力影响的数值模拟[J]. 袁奎霖,角洋一,杨海天,洪明. 船舶力学. 2017(08)
[5]超声作用下激光熔覆SiC/316L复合涂层残余应力数值模拟[J]. 李德英,张坚,赵龙志,邓志成,赵明娟. 复合材料学报. 2016(10)
[6]超声振动辅助激光金属成形技术研究进展[J]. 王潭,张安峰,张文龙,梁少端,李帅,严深平,张连重. 应用激光. 2015(06)
[7]超声冲击激光熔覆层的应力场数值模拟[J]. 张颖,戚永爱,梁绘昕,沈理达,田宗军. 应用激光. 2015(03)
[8]304不锈钢热轧板的热物理和高温力学性能[J]. 董方,郄俊懋,邓浩华. 特殊钢. 2014(04)
[9]二次法激光加工小孔技术[J]. 张晓兵,孙瑞峰. 航空学报. 2014(03)
[10]Numerical Analysis of Welding Residual Stress and Distortion in Laser+GMAW Hybrid Welding of Aluminum Alloy T-Joint[J]. Guoxiang XU,Chuansong WU,Xuezhou MA,Xuyou WANG. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2013(03)
博士论文
[1]工具电极高速旋转电化学放电加工基础研究[D]. 黄绍服.南京航空航天大学 2013
硕士论文
[1]高温合金毫秒激光打孔实验与数值模拟研究[D]. 朱林中.江苏大学 2017
[2]镍基高温合金脉冲激光打孔数值模拟及实验研究[D]. 张文.江苏大学 2016
[3]超声辅助钛合金激光沉积修复机理研究[D]. 岳耀猛.沈阳航空航天大学 2016
[4]激光微细打孔和铣削表面形貌特征研究[D]. 陆喜文.哈尔滨工程大学 2014
[5]皮秒激光加工系统与精细钻孔工艺的研究[D]. 段金鹏.北京工业大学 2012
本文编号：3038344
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：101 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
毫秒激光加工中心（LASERTEC80PowerDrill）
500mm和700mm，B轴、C轴可实现360°的全方位旋转。该设备的定位精度为1μm，满足高精度的激光制孔实验要求。所配备的激光器为毫秒脉冲Nd:YAG激光器，波长为1064nm。其激光波长较长、脉宽较大、性能稳定。该激光器1ms内能达到的最大脉冲峰值功率为20kW，3ms内能达到的最大脉冲峰值功率为16kW，其平均功率最大可达到0.3kW，其最大的输出脉冲能量可达50J，激光的脉冲频率范围为0.1至500Hz，脉冲宽度的变化范围为0.1至20ms，激光光斑直径为0.3至1mm。该设备打孔速度快，打孔周期短，性能稳定，能良好的进行激光微孔加工实验。图2.2所示为高功率飞秒激光微纳加工系统，主要用于薄片金属激光微纳群孔加工、各种材质的打孔、切割及划线加工，也可用于激光打标、ITO、纳米银蚀刻，尤其适合在陶瓷、玻璃、硅片、碳化硅、金属等材料上进行高精密打孔。该设备配备的激光器为飞秒激光器，具有瞬时功率大、热效应小等特点，特别适合微孔加工，最小加工孔径可达20μm。图2.2高功率光纤飞秒激光微纳加工系统Fig.2.2High-powerfemtosecondfibrelasermicro-nanomachiningandprocessingsystemused该设备是双工位激光精密加工设备，其中，左工位为振镜系统，右工位为螺旋模组切割系统。左工位振镜系统的飞秒激光经过设备内部的光学系统后，被扩束并最终聚焦成直径为20至30μm的光斑。该焦斑作用在材料表面后，材料吸收能量后将直接发生气化，最大程度地减少了重铸层现象的产生。右工位螺旋模组切割系统的飞秒激光经旋转模组后形成一个直径约为50μm的旋转光斑。通过控制棱镜的旋转实现对激光
超声振动-磁场辅助激光制孔机理及规律研究12束的旋转控制，结合工艺参数、平台参数等其他配套设置，使激光加工能够实现更大的深径比，加工更厚材料的同时减小锥度。该设备可实现激光焦斑位置的精确控制，定位精度可达微米级别。在普通聚焦加工以外，也可以实现正离焦、负离焦等多种工艺的加工。如图2.3所示为本文所用的高速摄像机。该高速摄像机具有超高灵敏度，采用1280×800的CMOS传感器。当分辨率设定为该设备的满幅分辨率时，拍摄速率为25700帧/秒，而当分辨率设定为该设备的最低分辨率时，其拍摄速率可达677000帧/秒。此台高速摄像机的最小曝光时间为1μs，无图像滞后，可以满足PIV/PTV/LIF/DIC等应用的需求。该高速摄像机具有的EDR曝光控制功能可在1帧图像中设置2种曝光时间，该功能有效避免了强光或眩光对拍摄过程中成像的影响。通过连接外部存储器，该高速摄像机可拍摄较长时间的高速物体的瞬态运动过程。该设备可连接监视器实时显示拍摄图像，也可连接计算机，通过使用图像处理软件逐帧显示所拍摄的视频。图2.3高速摄像机（型号为PhantomV2512-144G）Fig.2.3High-speedcameraused(PhantomV2512-144G)图2.4为超声振动-磁场辅助毫秒激光冲击打孔实时监测系统的示意图，该系统所用的超声辅助装置包括水箱、振动平台、超声控制器与专用夹具。超声控制器控制振动平台产生超声振动，并通过水介质传递到试样上，调节超声控制器的电流大小可得到不同强度的超声振动。磁场辅助装置由两块磁铁与专用夹具组成，两块磁铁放置于工件所在的水平面以产生横向磁常使用不同型号的磁铁或改变磁铁间的间距可以获得不同的磁场强度，通过高斯计对两块磁铁之间的区域进行多次测量，可以获得加工
【参考文献】：
期刊论文
[1]航空航天用镁合金的研究进展[J]. 蒋斌,刘文君,肖旅,董含武,张娜,程仁菊,宋江凤,张丁非,潘复生. 上海航天. 2019(02)
[2]基于深孔加工技术的应用探讨[J]. 周瑜哲. 山东工业技术. 2018(18)
[3]钛合金纳秒激光打孔数值模拟和实验研究[J]. 刘丹,孔德新,苗在强,张昕. 强激光与粒子束. 2018(06)
[4]超声冲击处理对高强钢焊接接头残余应力影响的数值模拟[J]. 袁奎霖,角洋一,杨海天,洪明. 船舶力学. 2017(08)
[5]超声作用下激光熔覆SiC/316L复合涂层残余应力数值模拟[J]. 李德英,张坚,赵龙志,邓志成,赵明娟. 复合材料学报. 2016(10)
[6]超声振动辅助激光金属成形技术研究进展[J]. 王潭,张安峰,张文龙,梁少端,李帅,严深平,张连重. 应用激光. 2015(06)
[7]超声冲击激光熔覆层的应力场数值模拟[J]. 张颖,戚永爱,梁绘昕,沈理达,田宗军. 应用激光. 2015(03)
[8]304不锈钢热轧板的热物理和高温力学性能[J]. 董方,郄俊懋,邓浩华. 特殊钢. 2014(04)
[9]二次法激光加工小孔技术[J]. 张晓兵,孙瑞峰. 航空学报. 2014(03)
[10]Numerical Analysis of Welding Residual Stress and Distortion in Laser+GMAW Hybrid Welding of Aluminum Alloy T-Joint[J]. Guoxiang XU,Chuansong WU,Xuezhou MA,Xuyou WANG. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2013(03)
博士论文
[1]工具电极高速旋转电化学放电加工基础研究[D]. 黄绍服.南京航空航天大学 2013
硕士论文
[1]高温合金毫秒激光打孔实验与数值模拟研究[D]. 朱林中.江苏大学 2017
[2]镍基高温合金脉冲激光打孔数值模拟及实验研究[D]. 张文.江苏大学 2016
[3]超声辅助钛合金激光沉积修复机理研究[D]. 岳耀猛.沈阳航空航天大学 2016
[4]激光微细打孔和铣削表面形貌特征研究[D]. 陆喜文.哈尔滨工程大学 2014
[5]皮秒激光加工系统与精细钻孔工艺的研究[D]. 段金鹏.北京工业大学 2012
本文编号：3038344
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