激光钎焊金刚石温度场仿真分析

发布时间：2020-05-01 22:45

【摘要】：由于高温钎焊金刚石工具具有磨粒出刃度较高且有很高的切割强度等优点,因此,在加工难加工的材料及在精密加工制造等方面被广泛运用。制造金刚石工具的工艺方法有很多种,每种工艺方法都具有各自的优点与不足,激光钎焊金刚石工艺相对传统钎焊工艺方法而言,作用时可以局部加热且影响区域小,可以保证在钎焊过程中基体不容易变形。但是激光能量强且急冷急热梯度较大,所以很容易导致:金刚石产生热损伤(石墨化、破碎);钎料层产生裂纹导致金刚石脱落等问题。本文以45钢为基体、Ni-Cr钎料为钎料层、金刚石磨粒大小是35/40目作为研究对象,所采用的激光器为脉冲型激光器(Nd:YAG激光器),采用有限元软件ANSYS对激光钎焊金刚石过程中的温度场进行仿真分析及讨论。本文主要的研究工作及结论概括包括:(1)建立定点加热钎焊的仿真模型,选取的热源模型是高斯热源。选取测温方法及仪器,搭建测温平台,完成对激光定点钎焊数学模型测温验证。采用APDL编写DO循环语句实现脉冲激光热源的加载,对初始参数组进行仿真分析获得温度随脉冲载荷作用的变化趋势。(2)在激光定点加热钎焊初始规范组的基础上改变单量及双量进行仿真模拟实验,获得激光参数:峰值功率、脉宽、频率对激光定点加热钎焊温度场的影响。(3)建立扫描加热钎焊的仿真物理模型进行仿真分析。根据激光定点加热钎焊模拟分析结果基础上选取的激光工艺参数,峰值功率选取范围为1600W~1900W、频率选取范围为25HZ~40HZ、脉宽选取范围为2.5ms~4ms、对扫描速度的选取范围是10mm/min~25mm/min。设计合理的正交试验,以稳态最高温度、温度波动大小、可使钎料熔化所作用时间作为指标参数。结合正交试验仿真结果,将峰值功率、脉宽、频率、扫描速度对指标参数的影响进行量化,得出四个参数对三个指标的影响趋势及关系。得出:可以在平均功率不变情况下,适当调节脉冲激光频率大小,选取小的峰值功率和稍大的脉宽,合适的扫描速度在15到25mm/min之间。(4)根据钎焊加热需求、对参数进行改变后的仿真模拟结果的整体趋势、工艺参数与三个指标的关系,选取合适的参数组进行钎焊实验,然后进行检测分析,焊接结果良好。
【图文】：

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图 1.1 激光钎焊金刚石原理示意图 1.1 所示，激光钎焊金刚石的原理是将激光作为热源对钎料活性物质受热向金刚石表面扩散、富集，生成片状碳化物，-基体牢固连接。图 1.2 为三种钎焊工艺的温度变化路线，在预置的钎料和金刚石磨粒温度加热到比钎料固液相温度要高称为 Tmax。控制钎焊过程中的温度很重要，如果 Tmax过小会彻底，无法与基体形成牢固的界面；如果 Tmax过大，会导致（金刚石石墨化或者产生裂纹和破碎）如图 1.3 所示。由于激，升温降温速度非常快，温度的梯度很大，所以很容易造成在使用金刚石工具过程中，金刚石很容易脱落，如图 1.4 所

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图 1.1 激光钎焊金刚石原理示意图.1 所示，激光钎焊金刚石的原理是将激光作为热源对钎料性物质受热向金刚石表面扩散、富集，生成片状碳化物基体牢固连接。图 1.2 为三种钎焊工艺的温度变化路线，，置的钎料和金刚石磨粒温度加热到比钎料固液相温度要为 Tmax。控制钎焊过程中的温度很重要，如果 Tmax过小底，无法与基体形成牢固的界面；如果 Tmax过大，会导金刚石石墨化或者产生裂纹和破碎）如图 1.3 所示。由于升温降温速度非常快，温度的梯度很大，所以很容易造使用金刚石工具过程中，金刚石很容易脱落，如图 1.4 所
【学位授予单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG454

【参考文献】