毫秒激光與金屬材料相互作用中的熱學(xué)和力學(xué)效應(yīng)研究.pdf

1、毫秒激光與金屬材料相互作用中將出現(xiàn)一系列的熱學(xué)和力學(xué)效應(yīng)。本文針對(duì)塑性屈服、熔融及小孔成形過(guò)程進(jìn)行了理論計(jì)算、有限元模擬和實(shí)驗(yàn)研究。
　　 從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬兩個(gè)方面研究了毫秒激光致金屬材料產(chǎn)生塑性屈服的現(xiàn)象。在測(cè)量了薄鋁板上反鼓包的成形過(guò)程的基礎(chǔ)上,依據(jù)熱傳導(dǎo)理論及熱彈塑性力學(xué)理論,用有限元法模擬了相關(guān)變形過(guò)程,通過(guò)比較實(shí)驗(yàn)和數(shù)值結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值算法的合理性。繼而建立了毫秒激光與厚航空鋁合金板相互作用的物理模型,用有限元法模擬了溫

2、度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布,得到了塑性屈服時(shí)間、范圍以及殘余應(yīng)力的大小。并且將這幾方面作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),比較了高斯型與頂帽型激光使厚鋁合金板產(chǎn)生塑性屈服的過(guò)程。
　　 依據(jù)毫秒激光致金屬厚板產(chǎn)生熔融相變情況,建立了半無(wú)限大軸對(duì)稱(chēng)模型。基于熱傳導(dǎo)理論及溫度分布形式,得到了溫度和熔融深度的解析解,并利用實(shí)驗(yàn)研究獲得的熔池形貌驗(yàn)證了解析計(jì)算結(jié)果。進(jìn)而討論了熔融深度與作用激光脈寬及能量的關(guān)系,對(duì)深度先隨脈寬增加然后又減小的現(xiàn)象進(jìn)行了解釋。
　

3、　 提出了毫秒激光逆重力方向?qū)皲X板打孔的實(shí)驗(yàn)方法,并根據(jù)實(shí)驗(yàn)和溫度解得到了小孔深度解析式。進(jìn)而比較了激光順打孔(順重力方向)和逆打孔實(shí)驗(yàn)中熔融物的遷移質(zhì)量、掛渣現(xiàn)象和小孔體積,討論了重力對(duì)于物質(zhì)遷移的作用。證明了逆打孔時(shí)激光能量更多的用于將材料加熱至熔融,在重力輔助作用下,熔融物質(zhì)更易遷移出孔,因而打孔效率更高。繼而改變激光能量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)大能量毫秒激光打孔較深,且算法需考慮離焦效應(yīng)的影響。然后利用改進(jìn)后的算法研究了毫秒激光對(duì)

4、不同金屬材料的打孔速率。
　　 針對(duì)激光打孔時(shí)光在小孔中傳輸?shù)膶?shí)際情況建立物理模型,分別采用物理光學(xué)法及光線追跡法研究了光束在小孔內(nèi)多次反射過(guò)程,計(jì)算了小孔對(duì)入射光的總吸收率和吸收光強(qiáng)在小孔內(nèi)的分布情況。通過(guò)比較計(jì)算結(jié)果得到結(jié)論:當(dāng)孔口衍射作用明顯或孔直徑小于入射光波長(zhǎng)時(shí),光線追跡法將不再適用于計(jì)算小孔吸收,其中衍射的作用取決于偏振態(tài)、入射角度、光斑大小及小孔邊緣處的相對(duì)光強(qiáng)。
　　 本文的研究結(jié)果可為進(jìn)一步研究毫秒激光