铝合金表面激光加工热效应仿真与实验研究

发布时间：2017-04-13 01:18

  本文关键词：铝合金表面激光加工热效应仿真与实验研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：铝合金由于具有密度低、强度高、热膨胀系数低、导热性好、导电性好、成本低廉等优点,被广泛应用在工业生产制造中。但是随着科学技术以及工业经济的发展,对铝合金的性能提出了更高的要求,一般的铝合金硬度低、耐磨性差,难以满足各方面的技术要求。通过激光加工改变材料表面形貌和微观结构的表面改性技术可以显著改善铝合金的表面性能。但是,激光加工过程极快,对激光加工瞬态过程进行完整、准确地测试十分困难。为解决此类问题,本文开展了铝合金表面激光加工的热效应仿真和实验研究,主要从以下几个方面展开：建立铝合金表面激光加工温度场分布的理论模型。通过对激光加工机理和激光辐照金属表面的主要发生的物理现象展开论述,建立了激光辐照金属材料表面的理论模型以及求解材料温度场分布的热传导方程,为下一步铝合金表面激光加工的有限元仿真和实验研究提供了理论依据。为分析激光功率和扫描速度对加工质量的影响,建立单条激光轨迹辐照铝合金表面进行激光加工的有限元仿真模型COMSOL Multiphysics的建模仿真过程主要包括物理场的选择、模型的建立以及材料参数的定义、网格的划分以及计算求解等。在建立激光辐照铝合金表面的仿真模型时,选择“固体传热”物理场,将激光束看作热源,考虑激光热作用下的热传导、表面对环境辐射和冷却对流等边界条件。激光功率影响激光能量密度,扫描速度影响激光作用的时间,通过调整激光参数,得到不同激光功率和扫描速度下的仿真结果。仿真结果主要包括不同时刻和不同材料位置处的材料温度、熔化气化深度、宽度和面积、冷却速率和温度梯度,它们与激光功率成正比,与扫描速度成反比,且越接近激光束的中心位置越大。为分析激光填充线间距对激光加工质量的影响,建立多轨迹激光辐照铝合金表面进行激光加工的有限元仿真模型。在此仿真过程中,除了考虑激光功率和扫描速度的影响外,还要考虑填充线间距对激光加工的影响。激光线间距会影响激光辐照在材料表面的总时间和激光束之间的重叠率。激光线间距越小,激光束作用下材料区域受上一条激光轨迹的预热影响更明显,有较高的初始温度,故材料温度更高,气化率更大。在铝合金表面进行激光加工实验,实验得到的加工深度与仿真结果相近,证明仿真模型是正确有效的,为实际的激光加工提供工艺参数指导。进行铝合金表面激光加工实验,分别在材料表面加工出点阵状、直线和网格图案。激光加工后铝合金材料表面显微硬度明显提高,且材料表面加工出点阵状图案后显微硬度最大,网格图案次之,直线图案最小。且有增加材料表面摩擦稳定性,降低摩擦系数的作用,且加工密度越大,材料表面摩擦系数越小,减磨效果越好。
【关键词】：激光加工 铝合金 热效应仿真 实验研究
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG665;TN249
【目录】：

• 摘要11-13
• ABSTRACT13-15
• 第1章 绪论15-27
• 1.1 引言15
• 1.2 激光加工改性方法及研究现状15-18
• 1.2.1 激光表面重熔16-17
• 1.2.2 激光熔覆17
• 1.2.3 激光表面合金化17
• 1.2.4 激光表面织构17-18
• 1.3 激光加工数值模拟方法18-21
• 1.3.1 解析法18-19
• 1.3.2 有限差分法19-20
• 1.3.3 有限体积法20
• 1.3.4 有限元法20-21
• 1.4 影响激光加工质量的因素21-24
• 1.4.1 激光束类型和形状的影响22
• 1.4.2 激光能量密度的影响22-23
• 1.4.3 激光脉冲宽度的影响23
• 1.4.4 线间距的影响23
• 1.4.5 激光波长的影响23-24
• 1.5 本文研究内容24-27
• 1.5.1 研究目标24
• 1.5.2 研究内容24-27
• 第2章 铝合金表面激光加工温度场理论模型的建立27-37
• 2.1 激光作用下材料表面加工机理27
• 2.2 激光辐照金属材料表面的物理现象27-29
• 2.3 激光热传导理论模型的建立29-34
• 2.3.1 热传递现象29-31
• 2.3.2 激光热源模型31-33
• 2.3.3 激光和金属材料相互作用理论模型的建立33-34
• 2.4 材料的物理参数34-36
• 2.4.1 6061铝合金的组成成分34
• 2.4.2 铝合金的主要热物理参数34-35
• 2.4.3 铝合金的吸收率35-36
• 2.5 本章小结36-37
• 第3章 激光辐照铝合金表面的热效应仿真建模37-55
• 3.1 COMSOL Multiphysics软件37-38
• 3.1.1 COMSOL Multiphysics简介37
• 3.1.2 COMSOL Multiphysics建模求解过程37-38
• 3.2 COMSOL Multiphysics仿真建模过程38-44
• 3.2.1 物理场的选择38
• 3.2.2 几何模型的建立38-39
• 3.2.3 COMSOL Multiphysics中参数设置39-42
• 3.2.4 边界条件的设定42-43
• 3.2.5 求解网格的剖分43-44
• 3.3 COMSOL Multiphysics仿真结果44-54
• 3.3.1 改变激光功率的铝合金温度场分布44-46
• 3.3.2 改变激光扫描速度的铝合金温度场分布46-47
• 3.3.3 改变激光功率的铝合金温度变化规律47-49
• 3.3.4 改变激光功率的铝合金的熔化气化深度、宽度和面积49-51
• 3.3.5 改变激光功率的铝合金的温度梯度和冷却速率51-53
• 3.3.6 实验加工指导53-54
• 3.4 本章小结54-55
• 第4章 多轨迹激光辐照铝合金表面的热效应仿真建模55-65
• 4.1 线间距55-56
• 4.2 多轨迹激光加工有限元模型56-60
• 4.2.1 有限元模型的建立56-57
• 4.2.2 激光参数设置57-58
• 4.2.3 模型参数设置58-60
• 4.3 COMSOL Multiphysics仿真结果60-64
• 4.3.1 温度场分布随时间变化规律60-61
• 4.3.2 不同线间距下温度仿真结果61-63
• 4.3.3 不同线间距下材料气化深度63-64
• 4.3.4 实验加工指导64
• 4.4 本章小结64-65
• 第5章 铝合金表面激光加工实验研究65-75
• 5.1 有限元仿真模型的实验验证65-67
• 5.2 铝合金表面激光加工实验研究67-74
• 5.2.1 铝合金试样的制备67-68
• 5.2.2 铝合金表面形貌观测68-69
• 5.2.3 铝合金表面激光加工对显微硬度的影响69-72
• 5.2.4 铝合金表面激光加工对摩擦性能的影响72-74
• 5.3 本章小结74-75
• 总结与展望75-77
• 参考文献77-83
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文83-85
• 致谢85-86
• 附件86

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6 ;2013年全国激光加工产业论坛(第一轮通知)[J];应用激光;2013年03期

7 彭惠民;;采用光纤的激光加工系统[J];激光与光电子学进展;1985年12期

8 刘东华;激光加工的原理与器件[J];激光杂志;1992年02期

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1 梅遂生;;蓬勃发展着的激光加工——国外激光加工技术考察见闻[A];第七届全国电加工学术年会论文集[C];1993年

2 滕杰;;激光加工的应用发展[A];2007年中国机械工程学会年会之第12届全国特种加工学术会议论文集[C];2007年

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4 陈笑;倪晓武;陆建;;在水和空气中激光加工效率的比较研究[A];第九届全国光学测试学术讨论会论文（摘要集）[C];2001年

5 周锦进;赵福令;亢羽;;激光加工表面层特性的试验研究[A];第五届全国电加工学术年会论文集（特种加工篇与综合性论文篇）[C];1986年

6 周锦进;王续跃;方建成;邓琦林;;加强激光加工工艺研究,促进激光加工产业化[A];第八届全国电加工学术年会论文集[C];1997年

7 杨逸民;;柔性激光加工机[A];'2001全国荷电粒子源、粒子束学术会议论文集[C];2001年

8 邓树森;;制造技术与激光加工[A];北京光机电技术与产业发展高级论坛论文集[C];2003年

9 邓树森;;制造技术与激光加工[A];第十届中国科协年会专题论坛特邀报告集[C];2008年

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