為了增大發(fā)動機的推重比,進一步提高發(fā)動機熱端零部件的工作性能和使用壽命,工業(yè)上普遍使用脈沖激光在熱端零部件上加工制造出大量的微孔。由于激光制孔的熱物理過程會導(dǎo)致重鑄層和微裂紋等缺陷,影響零部件的壽命和性能。為了減小或消除這些缺陷,提高微孔的質(zhì)量和性能,本文對超聲振動-磁場輔助激光制孔進行了系統(tǒng)的研究。本文對有/無超聲輔助條件下不銹鋼工件激光環(huán)切方形槽孔或方形陣列孔產(chǎn)生的應(yīng)力場進行了數(shù)值模擬,分析了超聲對工件瞬態(tài)及殘余應(yīng)力場分布的影響機理與規(guī)律。基于實驗結(jié)果對建立的模型進行了修正,使用有限元方法（FEM）結(jié)合自行開發(fā)的子程序,系統(tǒng)分析了激光制孔產(chǎn)生的瞬態(tài)應(yīng)力和殘余應(yīng)力的分布特征。總體而言,超聲輔助對應(yīng)力場的分布趨勢影響較小,但有效降低了工件各方向的應(yīng)力值。基于高速攝像技術(shù),本文設(shè)計了激光制孔實時監(jiān)測系統(tǒng),系統(tǒng)的分析了超聲振動-磁場輔助對激光沖擊打孔的影響機理。使用高速攝像機監(jiān)測了輔助氣體、磁場輔助和超聲振動輔助下激光沖擊盲孔和通孔的瞬態(tài)演變過程及物理現(xiàn)象,研究了其對激光制孔效率和質(zhì)量的影響,分析了超聲振動-磁場輔助對激光沖擊打孔方式下金屬蒸汽-光致等離子體形態(tài)、孔口形貌、重鑄層和顯微硬度... 

【文章來源】：江蘇大學(xué)江蘇省

【文章頁數(shù)】：101 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【圖文】：

毫秒激光加工中心（LASERTEC80PowerDrill）

500mm和700mm，B軸、C軸可實現(xiàn)360°的全方位旋轉(zhuǎn)。該設(shè)備的定位精度為1μm，滿足高精度的激光制孔實驗要求。所配備的激光器為毫秒脈沖Nd:YAG激光器，波長為1064nm。其激光波長較長、脈寬較大、性能穩(wěn)定。該激光器1ms內(nèi)能達到的最大脈沖峰值功率為20kW，3ms內(nèi)能達到的最大脈沖峰值功率為16kW，其平均功率最大可達到0.3kW，其最大的輸出脈沖能量可達50J，激光的脈沖頻率范圍為0.1至500Hz，脈沖寬度的變化范圍為0.1至20ms，激光光斑直徑為0.3至1mm。該設(shè)備打孔速度快，打孔周期短，性能穩(wěn)定，能良好的進行激光微孔加工實驗。圖2.2所示為高功率飛秒激光微納加工系統(tǒng)，主要用于薄片金屬激光微納群孔加工、各種材質(zhì)的打孔、切割及劃線加工，也可用于激光打標、ITO、納米銀蝕刻，尤其適合在陶瓷、玻璃、硅片、碳化硅、金屬等材料上進行高精密打孔。該設(shè)備配備的激光器為飛秒激光器，具有瞬時功率大、熱效應(yīng)小等特點，特別適合微孔加工，最小加工孔徑可達20μm。圖2.2高功率光纖飛秒激光微納加工系統(tǒng)Fig.2.2High-powerfemtosecondfibrelasermicro-nanomachiningandprocessingsystemused該設(shè)備是雙工位激光精密加工設(shè)備，其中，左工位為振鏡系統(tǒng)，右工位為螺旋模組切割系統(tǒng)。左工位振鏡系統(tǒng)的飛秒激光經(jīng)過設(shè)備內(nèi)部的光學(xué)系統(tǒng)后，被擴束并最終聚焦成直徑為20至30μm的光斑。該焦斑作用在材料表面后，材料吸收能量后將直接發(fā)生氣化，最大程度地減少了重鑄層現(xiàn)象的產(chǎn)生。右工位螺旋模組切割系統(tǒng)的飛秒激光經(jīng)旋轉(zhuǎn)模組后形成一個直徑約為50μm的旋轉(zhuǎn)光斑。通過控制棱鏡的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)對激光

超聲振動-磁場輔助激光制孔機理及規(guī)律研究12束的旋轉(zhuǎn)控制，結(jié)合工藝參數(shù)、平臺參數(shù)等其他配套設(shè)置，使激光加工能夠?qū)崿F(xiàn)更大的深徑比，加工更厚材料的同時減小錐度。該設(shè)備可實現(xiàn)激光焦斑位置的精確控制，定位精度可達微米級別。在普通聚焦加工以外，也可以實現(xiàn)正離焦、負離焦等多種工藝的加工。如圖2.3所示為本文所用的高速攝像機。該高速攝像機具有超高靈敏度，采用1280×800的CMOS傳感器。當分辨率設(shè)定為該設(shè)備的滿幅分辨率時，拍攝速率為25700幀/秒，而當分辨率設(shè)定為該設(shè)備的最低分辨率時，其拍攝速率可達677000幀/秒。此臺高速攝像機的最小曝光時間為1μs，無圖像滯后，可以滿足PIV/PTV/LIF/DIC等應(yīng)用的需求。該高速攝像機具有的EDR曝光控制功能可在1幀圖像中設(shè)置2種曝光時間，該功能有效避免了強光或眩光對拍攝過程中成像的影響。通過連接外部存儲器，該高速攝像機可拍攝較長時間的高速物體的瞬態(tài)運動過程。該設(shè)備可連接監(jiān)視器實時顯示拍攝圖像，也可連接計算機，通過使用圖像處理軟件逐幀顯示所拍攝的視頻。圖2.3高速攝像機（型號為PhantomV2512-144G）Fig.2.3High-speedcameraused(PhantomV2512-144G)圖2.4為超聲振動-磁場輔助毫秒激光沖擊打孔實時監(jiān)測系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)所用的超聲輔助裝置包括水箱、振動平臺、超聲控制器與專用夾具。超聲控制器控制振動平臺產(chǎn)生超聲振動，并通過水介質(zhì)傳遞到試樣上，調(diào)節(jié)超聲控制器的電流大小可得到不同強度的超聲振動。磁場輔助裝置由兩塊磁鐵與專用夾具組成，兩塊磁鐵放置于工件所在的水平面以產(chǎn)生橫向磁常使用不同型號的磁鐵或改變磁鐵間的間距可以獲得不同的磁場強度，通過高斯計對兩塊磁鐵之間的區(qū)域進行多次測量，可以獲得加工

【參考文獻】：
期刊論文
[1]航空航天用鎂合金的研究進展[J]. 蔣斌,劉文君,肖旅,董含武,張娜,程仁菊,宋江鳳,張丁非,潘復(fù)生.  上海航天. 2019(02)
[2]基于深孔加工技術(shù)的應(yīng)用探討[J]. 周瑜哲.  山東工業(yè)技術(shù). 2018(18)
[3]鈦合金納秒激光打孔數(shù)值模擬和實驗研究[J]. 劉丹,孔德新,苗在強,張昕.  強激光與粒子束. 2018(06)
[4]超聲沖擊處理對高強鋼焊接接頭殘余應(yīng)力影響的數(shù)值模擬[J]. 袁奎霖,角洋一,楊海天,洪明.  船舶力學(xué). 2017(08)
[5]超聲作用下激光熔覆SiC/316L復(fù)合涂層殘余應(yīng)力數(shù)值模擬[J]. 李德英,張堅,趙龍志,鄧志成,趙明娟.  復(fù)合材料學(xué)報. 2016(10)
[6]超聲振動輔助激光金屬成形技術(shù)研究進展[J]. 王潭,張安峰,張文龍,梁少端,李帥,嚴深平,張連重.  應(yīng)用激光. 2015(06)
[7]超聲沖擊激光熔覆層的應(yīng)力場數(shù)值模擬[J]. 張穎,戚永愛,梁繪昕,沈理達,田宗軍.  應(yīng)用激光. 2015(03)
[8]304不銹鋼熱軋板的熱物理和高溫力學(xué)性能[J]. 董方,郄俊懋,鄧浩華.  特殊鋼. 2014(04)
[9]二次法激光加工小孔技術(shù)[J]. 張曉兵,孫瑞峰.  航空學(xué)報. 2014(03)
[10]Numerical Analysis of Welding Residual Stress and Distortion in Laser+GMAW Hybrid Welding of Aluminum Alloy T-Joint[J]. Guoxiang XU,Chuansong WU,Xuezhou MA,Xuyou WANG.  Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2013(03)

博士論文
[1]工具電極高速旋轉(zhuǎn)電化學(xué)放電加工基礎(chǔ)研究[D]. 黃紹服.南京航空航天大學(xué) 2013

碩士論文
[1]高溫合金毫秒激光打孔實驗與數(shù)值模擬研究[D]. 朱林中.江蘇大學(xué) 2017
[2]鎳基高溫合金脈沖激光打孔數(shù)值模擬及實驗研究[D]. 張文.江蘇大學(xué) 2016
[3]超聲輔助鈦合金激光沉積修復(fù)機理研究[D]. 岳耀猛.沈陽航空航天大學(xué) 2016
[4]激光微細打孔和銑削表面形貌特征研究[D]. 陸喜文.哈爾濱工程大學(xué) 2014
[5]皮秒激光加工系統(tǒng)與精細鉆孔工藝的研究[D]. 段金鵬.北京工業(yè)大學(xué) 2012



本文編號：3038344