0Cr18Ni9不锈钢激光打孔工艺及数值模拟研究

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与传统的机械加工方法相比,激光打孔技术具有效率高、无工具损耗、可打出小至几微米的微孔、通用性强和经济效益显著等优点,在现代微小孔加工中应用日益广泛。本文以0Cr18Ni9不锈钢板为研究对象,采用高斯热源模型,应用有限元分析软件ANSYS对激光打孔过程的温度场进行数值模拟,获得了不同功率和加热斑点半径下瞬态温度场分布,以及热影响区、孔深和上孔径随时间变化的关系图。研究表明,随着作用时间的增加,热影响区会逐渐减小,孔深和上孔径会逐渐增大;当加热斑点半径一定时,随着激光功率的增加,热影响区会逐渐减小,孔深和上孔径会逐渐增大;当功率一定时,随着加热斑点半径的增加,热影响区会逐渐增大,孔深和上孔径会逐渐减小。选取0.5mm和1.0mm两种厚度的板材,利用CO2激光器进行激光打孔试验,并用工具显微镜来测量小孔的上、下孔径。借助ORIGIN软件得到孔径和锥度的变化规律图,研究了激光功率、脉冲宽度、离焦量,辅助气体等参数对上、下孔径和锥度的影响。小孔试验结果表明,上、下孔径以及锥度均随着激光功率的增加而增大,但激光功率过大时,孔入口处破坏会比较严重。随着脉冲宽度的增加,上、下孔径会逐渐减小,但锥度的变化不明显,采取较小的脉冲宽度,可以得到形状规则的小孔。正离焦时,随着离焦量的增加,上、下孔径以及锥度会逐渐减小;负离焦时,随着离焦量的增加,上、下孔径以及锥度会逐渐增大。由于过大的负离焦导致孔壁产生强烈的熔化,上孔径增大明显,蒸发作用很弱,导致产生盲孔,过大的正离焦,因能量密度降低,工件材料获得能量不足,虽然上孔径很小,但是材料的蒸发作用很弱,同样导致材料打不穿而出现盲孔,因此过大的正、负离焦均不可取。在相同的条件下,上、下孔径和锥度随着材料厚度的增加而逐渐减小。采用辅助气体,可以获得干净的工件表面和质量较高的小孔。初步研究了激光打孔中孔的形成机理。对模拟值与试验值进行了误差分析,变化趋势一致,验证了模拟分析的可行性,为激光打孔试验参数的选取提供了一定的理论依据。
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