脉冲激光作用下45#钢表面微凸起形貌研究

发布时间：2017-08-21 06:08

  本文关键词：脉冲激光作用下45#钢表面微凸起形貌研究

  更多相关文章： 激光毛化 微凸起形貌 温度场 对流 气化反冲压强 等离子体 工艺实验 演变规律

【摘要】：具有微凸起形貌的金属表面在工业上有广泛应用,如轧辊、冲压模具、刀具等。激光毛化是制造表面微凸起的重要方法之一。由于激光具有自动化程度高、可控性好等特点,这使得激光毛化技术近年来备受关注,在实验室研究和工程应用上都取得长足进展。但是,迄今为止,关于激光毛化微凸起形貌形成机理和规律,业界尚未形成完全一致的结论。鉴于此,本文用波长1064 nm的脉冲激光在45#钢表面进行微凸起造型,利用扫描电子显微镜和三维形貌仪等表征形貌。得到四周凹陷中心凸起的球冠状、墨西哥帽状以及四周凸起中心凹陷的M状等典型微凸起形貌。结合温度场仿真以及气化反冲压强、等离子体冲击波压强的数值计算,系统研究了激光脉冲宽度和峰值功率密度对微凸起形貌形成的影响规律,分析了各典型形貌的演变规律及形成机理。主要研究内容和结论如下:(1)基于脉冲激光作用于金属材料的热学模型,数值研究了毫秒脉冲激光与45#钢相互作用的温度场,理论分析了激光脉冲宽度和峰值功率密度对温度场的影响规律,结合流体场理论分析,研究了微凸起形貌形成机理。结果表明:在一定激光参数范围内,激光辐照区域材料熔化产生熔池。由于熔池中心区域的表面张力大于熔池四周的表面张力,液体金属由熔池四周流向中心,形成中心凸起四周凹陷的微凸起形貌。当激光脉冲宽度较小或峰值功率密度较低时,液体材料流动的速度较慢,时间较短,形成中心凸台“矮粗”的球冠状形貌;当激光脉冲宽度较大或峰值功率密度较高时,液体材料流动的速度较快,时间较长,因此更多液体材料向熔池中心汇聚,形成凸台“细高”的墨西哥帽状形貌。(2)基于脉冲激光与靶材作用后的气化反冲压强模型,数值研究了气化反冲压强随激光参数改变的规律;研究当熔池表面发生气化时,表面形貌的演变规律;基于激光诱导等离子体冲击波压强模型,分析等离子体冲击波压强和等离子体屏蔽作用对微凸起形貌的影响规律。结果表明:在一定激光参数范围内,熔池的温度达到材料沸点,材料气化产生反冲压强。该气化反冲压强可达107到108Pa,将中心凸台下压使得凸台变粗变矮,进而在熔池中心冲出凹陷,将液体金属向熔池边沿挤压,形成M状凸起;当激光脉冲宽度或峰值功率密度继续增大,气化反冲压强继续增大,其作用范围也继续扩大,将液体材料完全挤压至熔池四周,最终演变为中间凹陷四周凸起的火山口形貌。熔池气化产生的气体金属持续吸收激光能量会形成等离子体,并产生冲击波作用于熔池。因本文所讨论的激光参数恰好处于形成等离子体的阈值附近,所以所形成的等离子体冲击波压强较小,小于气化反冲压强2到3个数量级,因此在影响熔池表面形貌的因素中占据次要地位。但是,等离子体对激光脉冲能量的吸收和散射作用不容忽视,在实际工业应用过程中,可侧吹惰性气体来抑制等离子体的产生。(3)选择适当激光参数进行了系统的激光毛化实验,获得典型微凸起形貌;研究了激光峰值功率密度和脉冲宽度对中心凸台高度和直径的影响规律,并观察了各典型形貌随激光参数的演变趋势,与数值研究所得规律进行对比,验证了理论研究结果。
【关键词】：激光毛化 微凸起形貌 温度场 对流 气化反冲压强 等离子体 工艺实验 演变规律
【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】：TG665
【目录】：

• 摘要5-7
• abstract7-11
• 第一章 绪论11-20
• 1.1 激光加工技术概述11-13
• 1.2 表面毛化技术概述13-14
• 1.3 激光毛化技术的研究现状14-19
• 1.3.1 激光毛化设备的研究现状14-16
• 1.3.2 激光毛化理论的研究现状16-17
• 1.3.3 激光毛化技术实验的研究现状17-19
• 1.4 本课题主要研究内容19-20
• 第二章 激光毛化技术的理论基础20-27
• 2.1 激光毛化的物理过程20-23
• 2.2 激光与金属相互作用热学模型介绍23-25
• 2.3 激光与金属相互作用气化过程模型介绍25-26
• 2.4 激光与金属相互作用等离子体的产生26-27
• 第三章 脉冲激光与 45#钢相互作用的热学效应27-37
• 3.1 激光与 45#钢相互作用的温度场27-29
• 3.2 不同激光脉冲宽度对温度场分布的影响29-31
• 3.3 峰值功率密度对温度场分布的影响31-34
• 3.4 熔池内液体金属对流对形貌的影响34-37
• 3.4.1 Marangoni对流方向对形貌的影响34-35
• 3.4.2 对流速度和时间对形貌的影响35-37
• 第四章 脉冲激光与 45#钢相互作用力学效应的数值研究37-44
• 4.1 脉冲激光与 45#钢相互作用的气化反冲压强37-42
• 4.1.1 不同激光脉冲宽度对气化反冲压强的影响38-40
• 4.1.2 不同激光峰值功率密度对气化反冲压强的影响40-42
• 4.2 脉冲激光与 45#钢相互作用的等离子体冲击波42-44
• 第五章 激光毛化工艺实验44-58
• 5.1 激光毛化加工系统44-45
• 5.2 实验准备45-46
• 5.3 实验方案46-47
• 5.3.1 实验目的46
• 5.3.2 实验工艺参数的选择46-47
• 5.4 实验结果检测47
• 5.5 实验结果47-58
• 5.5.1 初步工艺实验47-50
• 5.5.2 激光脉冲宽度对微凸起形貌的影响50-52
• 5.5.3 激光峰值功率密度对微凸起形貌的影响52-55
• 5.5.4 系统的激光毛化工艺实验55-58
• 第六章 总结与展望58-60
• 6.1 总结58-59
• 6.2 展望59-60
• 参考文献60-65
• 致谢65-66
• 攻读硕士学位期间发表的论文66

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本文编号：711229