發(fā)布時(shí)間：2017-08-21 06:08

  本文關(guān)鍵詞：脈沖激光作用下45#鋼表面微凸起形貌研究

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【摘要】：具有微凸起形貌的金屬表面在工業(yè)上有廣泛應(yīng)用,如軋輥、沖壓模具、刀具等。激光毛化是制造表面微凸起的重要方法之一。由于激光具有自動(dòng)化程度高、可控性好等特點(diǎn),這使得激光毛化技術(shù)近年來(lái)備受關(guān)注,在實(shí)驗(yàn)室研究和工程應(yīng)用上都取得長(zhǎng)足進(jìn)展。但是,迄今為止,關(guān)于激光毛化微凸起形貌形成機(jī)理和規(guī)律,業(yè)界尚未形成完全一致的結(jié)論。鑒于此,本文用波長(zhǎng)1064 nm的脈沖激光在45#鋼表面進(jìn)行微凸起造型,利用掃描電子顯微鏡和三維形貌儀等表征形貌。得到四周凹陷中心凸起的球冠狀、墨西哥帽狀以及四周凸起中心凹陷的M狀等典型微凸起形貌。結(jié)合溫度場(chǎng)仿真以及氣化反沖壓強(qiáng)、等離子體沖擊波壓強(qiáng)的數(shù)值計(jì)算,系統(tǒng)研究了激光脈沖寬度和峰值功率密度對(duì)微凸起形貌形成的影響規(guī)律,分析了各典型形貌的演變規(guī)律及形成機(jī)理。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:(1)基于脈沖激光作用于金屬材料的熱學(xué)模型,數(shù)值研究了毫秒脈沖激光與45#鋼相互作用的溫度場(chǎng),理論分析了激光脈沖寬度和峰值功率密度對(duì)溫度場(chǎng)的影響規(guī)律,結(jié)合流體場(chǎng)理論分析,研究了微凸起形貌形成機(jī)理。結(jié)果表明:在一定激光參數(shù)范圍內(nèi),激光輻照區(qū)域材料熔化產(chǎn)生熔池。由于熔池中心區(qū)域的表面張力大于熔池四周的表面張力,液體金屬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。當(dāng)激光脈沖寬度較小或峰值功率密度較低時(shí),液體材料流動(dòng)的速度較慢,時(shí)間較短,形成中心凸臺(tái)“矮粗”的球冠狀形貌;當(dāng)激光脈沖寬度較大或峰值功率密度較高時(shí),液體材料流動(dòng)的速度較快,時(shí)間較長(zhǎng),因此更多液體材料向熔池中心匯聚,形成凸臺(tái)“細(xì)高”的墨西哥帽狀形貌。(2)基于脈沖激光與靶材作用后的氣化反沖壓強(qiáng)模型,數(shù)值研究了氣化反沖壓強(qiáng)隨激光參數(shù)改變的規(guī)律;研究當(dāng)熔池表面發(fā)生氣化時(shí),表面形貌的演變規(guī)律;基于激光誘導(dǎo)等離子體沖擊波壓強(qiáng)模型,分析等離子體沖擊波壓強(qiáng)和等離子體屏蔽作用對(duì)微凸起形貌的影響規(guī)律。結(jié)果表明:在一定激光參數(shù)范圍內(nèi),熔池的溫度達(dá)到材料沸點(diǎn),材料氣化產(chǎn)生反沖壓強(qiáng)。該氣化反沖壓強(qiáng)可達(dá)107到108Pa,將中心凸臺(tái)下壓使得凸臺(tái)變粗變矮,進(jìn)而在熔池中心沖出凹陷,將液體金屬向熔池邊沿?cái)D壓,形成M狀凸起;當(dāng)激光脈沖寬度或峰值功率密度繼續(xù)增大,氣化反沖壓強(qiáng)繼續(xù)增大,其作用范圍也繼續(xù)擴(kuò)大,將液體材料完全擠壓至熔池四周,最終演變?yōu)橹虚g凹陷四周凸起的火山口形貌。熔池氣化產(chǎn)生的氣體金屬持續(xù)吸收激光能量會(huì)形成等離子體,并產(chǎn)生沖擊波作用于熔池。因本文所討論的激光參數(shù)恰好處于形成等離子體的閾值附近,所以所形成的等離子體沖擊波壓強(qiáng)較小,小于氣化反沖壓強(qiáng)2到3個(gè)數(shù)量級(jí),因此在影響熔池表面形貌的因素中占據(jù)次要地位。但是,等離子體對(duì)激光脈沖能量的吸收和散射作用不容忽視,在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用過(guò)程中,可側(cè)吹惰性氣體來(lái)抑制等離子體的產(chǎn)生。(3)選擇適當(dāng)激光參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的激光毛化實(shí)驗(yàn),獲得典型微凸起形貌;研究了激光峰值功率密度和脈沖寬度對(duì)中心凸臺(tái)高度和直徑的影響規(guī)律,并觀察了各典型形貌隨激光參數(shù)的演變趨勢(shì),與數(shù)值研究所得規(guī)律進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了理論研究結(jié)果。
【關(guān)鍵詞】：激光毛化 微凸起形貌 溫度場(chǎng) 對(duì)流 氣化反沖壓強(qiáng) 等離子體 工藝實(shí)驗(yàn) 演變規(guī)律
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TG665
【目錄】：

• 摘要5-7
• abstract7-11
• 第一章 緒論11-20
• 1.1 激光加工技術(shù)概述11-13
• 1.2 表面毛化技術(shù)概述13-14
• 1.3 激光毛化技術(shù)的研究現(xiàn)狀14-19
• 1.3.1 激光毛化設(shè)備的研究現(xiàn)狀14-16
• 1.3.2 激光毛化理論的研究現(xiàn)狀16-17
• 1.3.3 激光毛化技術(shù)實(shí)驗(yàn)的研究現(xiàn)狀17-19
• 1.4 本課題主要研究?jī)?nèi)容19-20
• 第二章 激光毛化技術(shù)的理論基礎(chǔ)20-27
• 2.1 激光毛化的物理過(guò)程20-23
• 2.2 激光與金屬相互作用熱學(xué)模型介紹23-25
• 2.3 激光與金屬相互作用氣化過(guò)程模型介紹25-26
• 2.4 激光與金屬相互作用等離子體的產(chǎn)生26-27
• 第三章 脈沖激光與 45#鋼相互作用的熱學(xué)效應(yīng)27-37
• 3.1 激光與 45#鋼相互作用的溫度場(chǎng)27-29
• 3.2 不同激光脈沖寬度對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響29-31
• 3.3 峰值功率密度對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響31-34
• 3.4 熔池內(nèi)液體金屬對(duì)流對(duì)形貌的影響34-37
• 3.4.1 Marangoni對(duì)流方向?qū)π蚊驳挠绊?/span>34-35
• 3.4.2 對(duì)流速度和時(shí)間對(duì)形貌的影響35-37
• 第四章 脈沖激光與 45#鋼相互作用力學(xué)效應(yīng)的數(shù)值研究37-44
• 4.1 脈沖激光與 45#鋼相互作用的氣化反沖壓強(qiáng)37-42
• 4.1.1 不同激光脈沖寬度對(duì)氣化反沖壓強(qiáng)的影響38-40
• 4.1.2 不同激光峰值功率密度對(duì)氣化反沖壓強(qiáng)的影響40-42
• 4.2 脈沖激光與 45#鋼相互作用的等離子體沖擊波42-44
• 第五章 激光毛化工藝實(shí)驗(yàn)44-58
• 5.1 激光毛化加工系統(tǒng)44-45
• 5.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備45-46
• 5.3 實(shí)驗(yàn)方案46-47
• 5.3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>46
• 5.3.2 實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)的選擇46-47
• 5.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果檢測(cè)47
• 5.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果47-58
• 5.5.1 初步工藝實(shí)驗(yàn)47-50
• 5.5.2 激光脈沖寬度對(duì)微凸起形貌的影響50-52
• 5.5.3 激光峰值功率密度對(duì)微凸起形貌的影響52-55
• 5.5.4 系統(tǒng)的激光毛化工藝實(shí)驗(yàn)55-58
• 第六章 總結(jié)與展望58-60
• 6.1 總結(jié)58-59
• 6.2 展望59-60
• 參考文獻(xiàn)60-65
• 致謝65-66
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文66

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