本文關(guān)鍵詞：鋁合金表面激光加工熱效應仿真與實驗研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：鋁合金由于具有密度低、強度高、熱膨脹系數(shù)低、導熱性好、導電性好、成本低廉等優(yōu)點,被廣泛應用在工業(yè)生產(chǎn)制造中。但是隨著科學技術(shù)以及工業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展,對鋁合金的性能提出了更高的要求,一般的鋁合金硬度低、耐磨性差,難以滿足各方面的技術(shù)要求。通過激光加工改變材料表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)的表面改性技術(shù)可以顯著改善鋁合金的表面性能。但是,激光加工過程極快,對激光加工瞬態(tài)過程進行完整、準確地測試十分困難。為解決此類問題,本文開展了鋁合金表面激光加工的熱效應仿真和實驗研究,主要從以下幾個方面展開：建立鋁合金表面激光加工溫度場分布的理論模型。通過對激光加工機理和激光輻照金屬表面的主要發(fā)生的物理現(xiàn)象展開論述,建立了激光輻照金屬材料表面的理論模型以及求解材料溫度場分布的熱傳導方程,為下一步鋁合金表面激光加工的有限元仿真和實驗研究提供了理論依據(jù)。為分析激光功率和掃描速度對加工質(zhì)量的影響,建立單條激光軌跡輻照鋁合金表面進行激光加工的有限元仿真模型COMSOL Multiphysics的建模仿真過程主要包括物理場的選擇、模型的建立以及材料參數(shù)的定義、網(wǎng)格的劃分以及計算求解等。在建立激光輻照鋁合金表面的仿真模型時,選擇“固體傳熱”物理場,將激光束看作熱源,考慮激光熱作用下的熱傳導、表面對環(huán)境輻射和冷卻對流等邊界條件。激光功率影響激光能量密度,掃描速度影響激光作用的時間,通過調(diào)整激光參數(shù),得到不同激光功率和掃描速度下的仿真結(jié)果。仿真結(jié)果主要包括不同時刻和不同材料位置處的材料溫度、熔化氣化深度、寬度和面積、冷卻速率和溫度梯度,它們與激光功率成正比,與掃描速度成反比,且越接近激光束的中心位置越大。為分析激光填充線間距對激光加工質(zhì)量的影響,建立多軌跡激光輻照鋁合金表面進行激光加工的有限元仿真模型。在此仿真過程中,除了考慮激光功率和掃描速度的影響外,還要考慮填充線間距對激光加工的影響。激光線間距會影響激光輻照在材料表面的總時間和激光束之間的重疊率。激光線間距越小,激光束作用下材料區(qū)域受上一條激光軌跡的預熱影響更明顯,有較高的初始溫度,故材料溫度更高,氣化率更大。在鋁合金表面進行激光加工實驗,實驗得到的加工深度與仿真結(jié)果相近,證明仿真模型是正確有效的,為實際的激光加工提供工藝參數(shù)指導。進行鋁合金表面激光加工實驗,分別在材料表面加工出點陣狀、直線和網(wǎng)格圖案。激光加工后鋁合金材料表面顯微硬度明顯提高,且材料表面加工出點陣狀圖案后顯微硬度最大,網(wǎng)格圖案次之,直線圖案最小。且有增加材料表面摩擦穩(wěn)定性,降低摩擦系數(shù)的作用,且加工密度越大,材料表面摩擦系數(shù)越小,減磨效果越好。
【關(guān)鍵詞】：激光加工 鋁合金 熱效應仿真 實驗研究
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG665;TN249
【目錄】：

• 摘要11-13
• ABSTRACT13-15
• 第1章 緒論15-27
• 1.1 引言15
• 1.2 激光加工改性方法及研究現(xiàn)狀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 激光表面織構(gòu)17-18
• 1.3 激光加工數(shù)值模擬方法18-21
• 1.3.1 解析法18-19
• 1.3.2 有限差分法19-20
• 1.3.3 有限體積法20
• 1.3.4 有限元法20-21
• 1.4 影響激光加工質(zhì)量的因素21-24
• 1.4.1 激光束類型和形狀的影響22
• 1.4.2 激光能量密度的影響22-23
• 1.4.3 激光脈沖寬度的影響23
• 1.4.4 線間距的影響23
• 1.4.5 激光波長的影響23-24
• 1.5 本文研究內(nèi)容24-27
• 1.5.1 研究目標24
• 1.5.2 研究內(nèi)容24-27
• 第2章 鋁合金表面激光加工溫度場理論模型的建立27-37
• 2.1 激光作用下材料表面加工機理27
• 2.2 激光輻照金屬材料表面的物理現(xiàn)象27-29
• 2.3 激光熱傳導理論模型的建立29-34
• 2.3.1 熱傳遞現(xiàn)象29-31
• 2.3.2 激光熱源模型31-33
• 2.3.3 激光和金屬材料相互作用理論模型的建立33-34
• 2.4 材料的物理參數(shù)34-36
• 2.4.1 6061鋁合金的組成成分34
• 2.4.2 鋁合金的主要熱物理參數(shù)34-35
• 2.4.3 鋁合金的吸收率35-36
• 2.5 本章小結(jié)36-37
• 第3章 激光輻照鋁合金表面的熱效應仿真建模37-55
• 3.1 COMSOL Multiphysics軟件37-38
• 3.1.1 COMSOL Multiphysics簡介37
• 3.1.2 COMSOL Multiphysics建模求解過程37-38
• 3.2 COMSOL Multiphysics仿真建模過程38-44
• 3.2.1 物理場的選擇38
• 3.2.2 幾何模型的建立38-39
• 3.2.3 COMSOL Multiphysics中參數(shù)設置39-42
• 3.2.4 邊界條件的設定42-43
• 3.2.5 求解網(wǎng)格的剖分43-44
• 3.3 COMSOL Multiphysics仿真結(jié)果44-54
• 3.3.1 改變激光功率的鋁合金溫度場分布44-46
• 3.3.2 改變激光掃描速度的鋁合金溫度場分布46-47
• 3.3.3 改變激光功率的鋁合金溫度變化規(guī)律47-49
• 3.3.4 改變激光功率的鋁合金的熔化氣化深度、寬度和面積49-51
• 3.3.5 改變激光功率的鋁合金的溫度梯度和冷卻速率51-53
• 3.3.6 實驗加工指導53-54
• 3.4 本章小結(jié)54-55
• 第4章 多軌跡激光輻照鋁合金表面的熱效應仿真建模55-65
• 4.1 線間距55-56
• 4.2 多軌跡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 激光參數(shù)設置57-58
• 4.2.3 模型參數(shù)設置58-60
• 4.3 COMSOL Multiphysics仿真結(jié)果60-64
• 4.3.1 溫度場分布隨時間變化規(guī)律60-61
• 4.3.2 不同線間距下溫度仿真結(jié)果61-63
• 4.3.3 不同線間距下材料氣化深度63-64
• 4.3.4 實驗加工指導64
• 4.4 本章小結(jié)64-65
• 第5章 鋁合金表面激光加工實驗研究65-75
• 5.1 有限元仿真模型的實驗驗證65-67
• 5.2 鋁合金表面激光加工實驗研究67-74
• 5.2.1 鋁合金試樣的制備67-68
• 5.2.2 鋁合金表面形貌觀測68-69
• 5.2.3 鋁合金表面激光加工對顯微硬度的影響69-72
• 5.2.4 鋁合金表面激光加工對摩擦性能的影響72-74
• 5.3 本章小結(jié)74-75
• 總結(jié)與展望75-77
• 參考文獻77-83
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的學術(shù)論文83-85
• 致謝85-86
• 附件86

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