激光打孔技術(shù)具有成本低、效率高和可加工范圍廣等優(yōu)勢,隨著裝備制造業(yè)對微小群孔加工需求的不斷增加,激光打孔技術(shù)將具有愈加廣闊的應用前景。由于激光打孔機理較為復雜,目前對激光打孔的理論研究尚未完全明了,特別是基于流體傳熱學和流體力學的激光打孔理論研究相對較少。另外現(xiàn)有的激光打孔技術(shù)依然存在重鑄層、錐形孔和表面飛濺物等問題,還需要對激光打孔的工藝進行進一步的優(yōu)化。圍繞上述問題,本文在對激光與金屬材料相互作用的理論研究基礎(chǔ)上,選用在醫(yī)療、核電、航空、船舶等領(lǐng)域常用的SUS304不銹鋼作為研究材料,從激光打孔的基礎(chǔ)理論、數(shù)值模擬以及實驗分析等方面對SUS304不銹鋼激光打孔進行了深入研究。本文的主要研究工作及結(jié)論如下:(1)以流體傳熱學和流體力學為基礎(chǔ),并結(jié)合修正后的Level-Set界面追蹤方法和固液混合理論建立了固-液-氣三相統(tǒng)一的激光打孔數(shù)值模型。模型中綜合考慮了反沖壓力、熱毛細力、表面張力、熱浮力以及重力等因素的影響,并采用等效熱容法處理了材料熔化和氣化過程的相變潛熱影響。(2)基于該模型深入分析了小孔自由界面的演變過程,包括小孔的孔徑和孔深隨激光作用時間的變化規(guī)律。分析了激光打孔過程的溫度場和速度場,模擬結(jié)果較好的反映激光打孔過程中的材料熔化過程、氣化過程以及金屬蒸氣的運動過程。分析了反沖壓力和熱毛細力兩種作用力對小孔自由界面運動的影響,結(jié)果表明:反沖壓力是激光打孔能夠形成深孔的重要原因,熱毛細力是導致熔融金屬從孔的邊緣溢出形成隆起的主要原因。(3)開展了基于數(shù)值模擬參數(shù)的激光打孔對比實驗,主要觀測了孔截面的形貌和孔口周圍的飛濺物堆積情況,并結(jié)合模擬結(jié)果分析了錐孔和飛濺物形成的原因等,對比實驗結(jié)果與模擬結(jié)果取得了較好的一致性,驗證了模型的有效性,表明Level-Set方法在激光打孔自由界面追蹤方面具有較好的適用性。結(jié)果表明:形成錐孔的原因與高斯分布的激光熱源有關(guān),孔周圍的飛濺物形成與高速流動的金屬蒸氣和熔融金屬之間的粘滯力作用有關(guān)。(4)基于正交實驗法對SUS304不銹鋼進行了激光打孔工藝參數(shù)優(yōu)化實驗,分析了脈沖能量、脈沖寬度、脈沖個數(shù)、重復頻率和離焦量等參數(shù)對SUS304不銹鋼激光打孔結(jié)果(包括上孔徑、下孔徑和孔錐度等)影響的顯著性。結(jié)果表明:基于孔錐度最小時的參數(shù)組合優(yōu)化得到的孔最符合上孔徑、下孔徑和孔錐度均較小的要求。激光打孔工藝參數(shù)優(yōu)化實驗得到的最優(yōu)參數(shù)組合為:脈沖寬度0.5 ms、脈沖能量2.5 J、重復頻率40 Hz、離焦量0 mm、脈沖個數(shù)200個。
【學位單位】：江蘇大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TG142.71;TN249
【部分圖文】：

U S 3 0 4 不 銹 鋼 激 光 打 孔 數(shù) 值 模 擬 及 實 驗 研 究形結(jié)果，如圖 1.2 所示。2011 年褚慶臣等[43]假設(shè)材料熔融即視為去打孔模型，還分析了各激光參數(shù)對激光打孔孔形的影響。2013 年臧光工藝參數(shù)變化對激光打孔結(jié)果的影響，建立了基于 ANSYS 生死模型，計算了不同激光工藝參數(shù)下的激光打孔溫度場和小孔界面演

基于Level-set方法的激光焊接模型

2010 年韓國科學技術(shù)學院的 Park 和 Na[49]在研究激光打孔小孔成形羽對激光的吸收及散射作用。圖 1.3 基于 Level-set 方法的激光焊接模型[36]Figure1.3 Laser welding model based on Level-set method[36]

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本文編號：2824018