大光斑半导体激光-TIG复合热源熔敷工艺及数值模拟

发布时间：2017-09-11 06:29

  本文关键词：大光斑半导体激光-TIG复合热源熔敷工艺及数值模拟

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【摘要】：针对单一热源在表面熔敷中合金粉末熔化、界面区热量、温度分布最佳范围区间较窄的问题,本文提出采用大光斑半导体激光与TIG电弧复合的方法用于表面熔敷,通过精确控制激光与电弧的耦合形式与参数匹配,合理调控复合热源的特征与温度分布,有望满足粉末与基体在熔敷过程中的不同热物理要求。本文主要从以下几个方面对大光斑半导体激光及激光-TIG复合热源进行了熔敷工艺及热源模型研究:(1)利用大光斑半导体激光、TIG电弧及激光TIG电弧复合热源的特性,搭建了激光TIG复合热源表面熔敷实验平台,实现了复合热源的表面熔敷;为了研究复合热源在表面熔敷时的工艺区间范围及热源温度场的特性,通过单道表面熔敷工艺试验及热循环曲线测试,分别对比了CO2小焦点激光、大光斑半导体激光及激光TIG复合在表面熔敷中的优缺点及熔敷参数对大光斑半导体激光与激光TIG复合热源的表面形貌和温度场分布的影响。通过工艺试验及热循环测试实验发现,TIG电弧的引入能够明显降低熔池温度梯度小,二者复合可明显改善激光热源温度梯度较大的问题,并且可以通过调控电弧的热源特性满足激光对于低温区域的热量需求。(2)对大光斑半导体激光和激光TIG复合热源在进行表面熔敷时热源与粉末、粉末与基体、热源与基体三者之间的传热过程进行了分析,并在此基础上建立了单激光与激光TIG复合热源模型,采用有限元的方法在ANSYS中对模型进行了求解。模拟的温度场与实验数据基本一致。(3)利用所建立的单激光和激光TIG复合热源模型分别对熔敷参数变化和合金粉末变化下温度场的变化规律进行了模拟研究。通过模拟分析发现单激光熔敷时熔敷层的温度梯度较大,而在引入TIG电弧后,熔敷道温度梯度发生了明显的降低,并在一定程度上增加了激光的吸收率,使得熔敷道的宽度和深度显著增加。该模拟结果与实验结果基本一致。
【关键词】：半导体大光斑激光 激光-TIG复合 表面熔敷 温度场
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 摘要7-8
• Abstract8-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 引言10
• 1.2 表面熔敷的国内研究现状10-17
• 1.2.1 激光热源10-14
• 1.2.2 电弧热源14-15
• 1.2.3 复合热源15-17
• 1.3 本文的研究方法及研究内容17-19
• 1.3.1 本文研究主要内容17-18
• 1.3.2 研究技术路线18
• 1.3.3 拟解决的问题18-19
• 1.4 本文主要创新点19-20
• 第2章 大光斑激光与TIG复合熔敷系统及实验方法20-26
• 2.1 激光-TIG复合热源熔敷设备20-22
• 2.1.1 半导体大光斑激光器20-21
• 2.1.2 CO_2小焦点激光器21-22
• 2.1.3 TIG焊机22
• 2.1.4 行走机构22
• 2.2 大光斑半导体激光与TIG电弧复合焊接方法22-23
• 2.3 试验材料及铺粉方式23-24
• 2.3.1 基体材料23-24
• 2.3.2 熔敷材料24
• 2.3.3 铺粉方式24
• 2.4 焊接温度场的测量24-25
• 2.5 试验过程25
• 2.6 本章小结25-26
• 第3章 激光-TIG复合热源熔敷工艺及热源特性26-36
• 3.1 小焦点CO_2激光与半导体大光斑激光表面熔敷对比26-29
• 3.1.1 激光功率对熔敷层尺寸、稀释率及成形系数的影响27-28
• 3.1.2 扫描速度对熔敷层尺寸、稀释率及成形系数的影响28-29
• 3.2 激光-TIG复合表面熔敷对比29-34
• 3.2.1 粉末厚度变化对熔敷道形貌及热循环曲线的影响29-32
• 3.2.2 功率变化对熔敷道形貌及热循环曲线的影响32-34
• 3.3 大光斑半导体激光与焊接电弧复合的分析34-35
• 3.4 本章小结35-36
• 第4章 大光斑半导体激光及激光-TIG复合热源温度场有限元模型36-47
• 4.1 大光斑激光熔敷过程分析36-39
• 4.1.1 大光斑激光熔敷过程中能量分析37
• 4.1.2 激光与粉末相互作用过程37-39
• 4.2 大光斑激光及激光-TIG复合热源传热有限元模型39-40
• 4.2.1 激光-TIG复合热源传热模型的数学分析39-40
• 4.3 激光-TIG复合热源传热模型有限元模型的建立40-46
• 4.3.1 几何模型及网格划分41
• 4.3.2 有限元模型的建立41-43
• 4.3.3 热源模型及加载43-44
• 4.3.4 边界条件44-45
• 4.3.5 表面吸收系数的影响45
• 4.3.6 热物理性能参数45
• 4.3.7 模型验证45-46
• 4.4 本章小结46-47
• 第5章 模拟结果分析47-54
• 5.1 大光斑激光及激光-TIG复合热源温度场分析47-49
• 5.1.1 大光斑激光热源温度场分析47
• 5.1.2 激光-TIG复合热源温度场分析47-48
• 5.1.3 大光斑激光与大光斑激光-TIG复合热源温度场对比48-49
• 5.2 熔敷参数变化对激光TIG复合热源温度场影响49-53
• 5.2.1 粉末厚度变化对激光-TIG复合热源温度场影响分析49-50
• 5.2.2 不同功率激光-TIG复合热源温度场影响分析50-52
• 5.2.3 不同粉末材料下大光斑激光-TIG复合热源温度场分析52-53
• 5.3 本章小结53-54
• 结论与展望54-55
• 参考文献55-59
• 致谢59-60
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录60

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