光纤激光水下切割不锈钢的数值仿真及实验研究

发布时间：2017-04-02 06:06

  本文关键词：光纤激光水下切割不锈钢的数值仿真及实验研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：21世纪是海洋的世纪,在建造、维修及拆除海洋平台、海底管道、海底储油库等海洋工程结构物时,存在着维修或拆除费用高昂、作业环境恶劣、安全性差和破坏海洋生态环境等问题。而光纤激光水下切割技术具有高效便捷、节约成本、安全环保的优势,已经成为一种前景广阔的技术手段。与CO2激光器相比,光纤激光器更加适用于水下复杂环境的切割作业,因为其具有小型轻量化、维护成本低、稳定性强、容易实现大功率化、可长距离传输等优势。(1)本文主要研究光纤激光水下切割不锈钢的数值仿真及实验研究。在ANSYS中模拟光纤激光水下切割不锈钢的温度场,研究不同激光功率和切割速度对光纤激光切割温度场的影响。对材料的热物理性参数和水的对流换热系数的变化规律进行线性简化,便于更加准确地设定材料与环境的边界条件。相同时刻下,最高温度点的位置由切割速度的快慢决定。(2)在氩气辅助的光纤激光水下切割1mm厚304不锈钢板实验中,通过测量切缝平均宽度来研究激光功率、切割速度、水层厚度、水体条件等对切割效率及切割质量的影响规律。以1500 W激光功率和300 mm/min切割速度切割水下5mm处的1mm厚304不锈钢板获得的切缝最为平整,切割质量最佳。宏观上,切缝宏观形貌是熔池表面张力、溶液重力和辅助气体压力共同作用的结果。光纤激光切割效率和质量随着水层的增加、水温的降低、水中盐度的增加而降低。水层过厚和水温低会加速钢板冷却从而导致激光能量的损失,另外盐水中众多离子也会吸收激光能量。(3)为进一步研究激光参数和环境参数对光纤激光水下切割效率和质量的影响,以及切割过程中切缝形貌成形规律,本文从凝固方式、物相成分、晶粒尺寸、显微硬度等角度对不锈钢板切缝横截面的熔化区和热影响区的微观组织形貌进行全面评估。微观上,熔化区、热影响区和基体的组织成分、显微硬度各异,熔化区边缘出现表面形核现象,熔化区晶胞尺寸随着激光能量密度增大而增大；热影响区奥氏体晶粒受热循环的影响而发生粗化,显微硬度低于基体与熔化区硬度。熔化区边缘硬度达到242.8 HV,局部氧化区域硬度高达963 HV,是基体硬度的4.3倍。本文探索光纤激光水下切割过程中水介质与切割材料之间的热传递、相变规律,以及激光水下切割的切口温度场分布、切口形貌形成机理等基础理论,可为高效拆除海上废弃石油平台提供理论支持,同时对建设海洋经济强国具有战略意义。
【关键词】：激光技术 激光水下切割 温度场仿真 微观组织 不锈钢
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG485
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 研究背景与课题来源11-12
• 1.2 水下切割技术12-16
• 1.2.1 水下切割方式分类12-14
• 1.2.2 光纤激光水下切割技术14
• 1.2.3 激光水下切割的影响因素14-16
• 1.3 激光水下切割技术研究现状16-19
• 1.3.1 激光水下切割试验研究现状16-18
• 1.3.2 激光水下切割建模仿真研究现状18-19
• 1.4 论文主要内容与技术路线19-20
• 1.4.1 论文主要内容19-20
• 1.4.2 技术路线20
• 1.5 本章小结20-21
• 第二章 光纤激光水下切割过程中热力学理论基础21-27
• 2.1 激光水下切割过程描述21-22
• 2.2 激光水下切割过程中热力学理论基础22-24
• 2.2.1 热力学模型建立的假设条件22
• 2.2.2 热平衡方程22-23
• 2.2.3 激光热源形式23
• 2.2.4 能量损失形式23-24
• 2.3 激光水下切割过程中动力学理论基础24-25
• 2.3.1 流体力学基础24-25
• 2.3.2 辅助气体对熔融金属的压力作用25
• 2.4 激光水下切割有限元模型的建立25-26
• 2.4.1 有限元模型的建立25-26
• 2.4.2 模拟仿真流程26
• 2.5 本章小结26-27
• 第三章 光纤激光水下切割不锈钢模拟仿真27-41
• 3.1 激光水下切割仿真参数设定27-30
• 3.1.1 材料对激光的吸收率28-29
• 3.1.2 对流换热系数29-30
• 3.2 温度场仿真结果分析30-37
• 3.2.1 不同时刻的温度分布30-36
• 3.2.2 随时间变化的温度分布36-37
• 3.3 激光参数对温度分布的影响37-39
• 3.3.1 激光功率对温度分布的影响37-38
• 3.3.2 切割速度对温度分布的影响38-39
• 3.4 本章小结39-41
• 第四章 光纤激光水下切割不锈钢试验41-48
• 4.1 试验设备和试验材料41
• 4.2 试验方案及质量评估标准41-43
• 4.2.1 实验方案41-42
• 4.2.2 质量评估标准42-43
• 4.3 试验结果及分析43-47
• 4.3.1 激光功率和切割速度对水下切割的影响43-46
• 4.3.2 水体条件对水下切割的影响46
• 4.3.3 水层厚度对水下切割的影响46-47
• 4.4 本章小结47-48
• 第五章 激光水下切割不锈钢的显微组织与力学性能48-57
• 5.1 切缝横截面显微组织分析48-55
• 5.1.1 金相样件制备与测试设备48-49
• 5.1.2 切缝熔化区显微组织描述49-52
• 5.1.3 切缝横截面温度场分布与微观组织分布52-53
• 5.1.4 激光参数对晶胞间距的影响53-55
• 5.2 显微硬度检测55-56
• 5.2.1 硬度检测原理与设备55
• 5.2.2 显微硬度分布55-56
• 5.3 本章小结56-57
• 第六章 总结与展望57-59
• 6.1 总结57-58
• 6.1.1 本文总结57
• 6.1.2 创新点57-58
• 6.2 展望58-59
• 致谢59-60
• 参考文献60-63
• 作者简介63

【参考文献】

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本文编号：281976