镍基高温合金脉冲激光打孔数值模拟及实验研究

发布时间：2017-05-19 11:09

  本文关键词：镍基高温合金脉冲激光打孔数值模拟及实验研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：激光打孔属于非接触式加工方法,已经被广泛应用到了汽车工业、船舶制造、航空航天、仪器仪表以及医疗技术等诸多行业之中。相比于其它微孔加工方法,具有成本低、效率高、能够加工高密度群孔等优势,已成为应用前景最广的微孔加工方法。本文主要从理论研究、数值模拟和实验分析三个方面对镍基高温合金GH4037的激光打孔进行深入研究。首先,从激光与材料之间相互作用的机理出发,深入研究了毫秒脉冲激光打孔的物理过程,详细分析了光致等离子体等因素对能量吸收率的影响,介绍了激光打孔的几种方式及各自的特点。其次,建立了激光打孔的物理模型、数学模型和有限元模型,利用APDL语言编写了模拟激光打孔的程序,得到了不同脉冲个数作用下的温度场分布云图和孔轮廓图,并求解出了不同脉冲个数作用下的上孔径、下孔径、孔深和锥度。采用控制变量法进行不同脉冲个数的激光打孔实验,得到了不同脉冲个数作用下的孔截面、上孔径、下孔径、孔深和锥度。并且将实验结果与模拟结果进行对比分析,不仅验证了模拟结果的准确性,还研究了脉冲个数对激光打孔的影响,为后续实验方法的制定以及实验参数的选择提供了指导。再次,基于脉冲个数对激光打孔影响的数值模拟及实验论证,为了提高打孔效率,保证打孔质量,针对激光打通孔的特点,利用穿透检测功能专门为激光打通孔设计了改进型控制变量法,弥补了传统控制变量法在激光打通孔实验上的缺陷。最后,基于DMG LASERTEC 80 PowerDrill毫秒脉冲激光打孔系统,采用改进型控制变量法系统地研究了离焦量、辅助气体、扩束比、脉冲能量、脉冲宽度、重复频率对激光打孔的影响。研究结果表明:离焦量和扩束比对激光打孔的影响最为显著,当离焦量为0mm,扩束比为4时,能够获得较好的打孔质量。脉冲能量、脉冲宽度和重复频率对激光打孔的影响较为明显,当脉冲能量为1J,脉冲宽度为0.8ms~1ms,重复频率为60Hz时,能够获得较好的打孔质量。当辅助气体选用氩气时能够显著减少孔内壁的微裂纹以及降低孔内壁的粗糙度,但是打孔效率较低,适合在厚度较小的材料上加工对质量要求较高的微孔。当辅助气体选用氧气时,孔内壁存在微裂纹并且孔内壁的粗糙度比较大,但是打孔效率较高,适合在厚度较大的材料上加工对质量要求较低的微孔。
【关键词】：脉冲激光 激光打孔 高温合金 数值模拟 温度场 穿透检测 打孔效率
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG132.3;TG665
【目录】：

• 摘要5-6
• abstract6-10
• 第1章 绪论10-15
• 1.1 引言10
• 1.2 激光打孔的优势10-12
• 1.3 研究现状与发展趋势12-13
• 1.3.1 激光打孔技术的国内外研究现状12-13
• 1.3.2 激光打孔技术的发展趋势13
• 1.4 本课题来源、意义和主要研究内容13-15
• 1.4.1 本课题的来源及研究意义13-14
• 1.4.2 本课题的主要研究内容14-15
• 第2章 激光打孔理论概述15-25
• 2.1 激光束的特性15-16
• 2.2 激光与材料相互作用的一般规律16-20
• 2.2.1 概述16-17
• 2.2.2 普通材料与激光的作用规律17-18
• 2.2.3 金属材料与激光的作用规律18-20
• 2.3 光致等离子体的产生及影响20-21
• 2.3.1 光致等离子体的产生20
• 2.3.2 光致等离子体的影响20-21
• 2.4 激光打孔的物理过程21-23
• 2.5 激光打孔的分类23-24
• 2.6 本章小结24-25
• 第3章 激光打孔数值模拟分析25-39
• 3.1 ANSYS有限元数值模拟概述25-26
• 3.1.1 热分析概述25
• 3.1.2 APDL语言简介25-26
• 3.2 热分析理论基础26-29
• 3.2.1 三种基本的热量传递方式26-27
• 3.2.2 热传导方程的一般形式27-28
• 3.2.3 热传导的边界条件和初始条件28-29
• 3.3 激光打孔数值模拟过程29-34
• 3.3.1 激光打孔数值模拟的基本流程29-30
• 3.3.2 激光打孔的物理模型30
• 3.3.3 高温合金GH4037的热物理性能参数30-31
• 3.3.4 激光打孔的有限元模型31-32
• 3.3.5 热源模型和载荷施加32-33
• 3.3.6 激光打孔的数学模型33-34
• 3.4 激光打孔数值模拟结果及实验论证34-37
• 3.4.1 温度场模拟结果及分析34-35
• 3.4.2 孔廓模拟结果及实验论证35-36
• 3.4.3 孔径、孔深和锥度模拟结果及实验论证36-37
• 3.5 本章小结37-39
• 第4章 激光打孔实验与分析39-67
• 4.1 实验设备39-40
• 4.2 微孔测量设备40-43
• 4.2.1 OLYMPUS BX51M光学显微镜40-41
• 4.2.2 KEYENCE VK-X250激光扫描显微镜41-43
• 4.3 实验材料43
• 4.4 材料的处理43-45
• 4.4.1 激光打孔实验前对材料的处理43-44
• 4.4.2 观察孔口形貌前对材料的处理44
• 4.4.3 观察孔截面和孔内壁前对材料的处理44-45
• 4.5 改进型控制变量法45-47
• 4.6 基于改进型控制变量法的实验结果与讨论47-65
• 4.6.1 离焦量对激光打孔的影响47-50
• 4.6.2 辅助气体种类对激光打孔的影响50-54
• 4.6.3 扩束比对激光打孔的影响54-57
• 4.6.4 脉冲能量对激光打孔的影响57-60
• 4.6.5 脉冲宽度对激光打孔的影响60-62
• 4.6.6 重复频率对激光打孔的影响62-65
• 4.7 本章小结65-67
• 第5章 总结与展望67-70
• 5.1 总结67-68
• 5.2 展望68-70
• 参考文献70-74
• 致谢74-75
• 攻读硕士学位期间发表的论文与专利75

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