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随着工业、特别是重工业的快速发展,金属材料的加工需求和要求越来越高,传统的加工方法越来越受到巨大的挑战。本文针对工业生产中,激光微加工金属材料时,激光参数主要依靠工人经验来进行选择的不足,综合应用理论分析、数值模拟和实验方法,研究脉冲激光辐照加工金属材料的温度分布,及其对表面形貌影响。对提高加工效率和降低加工成本具有重要的价值和意义。 论文基于傅里叶方程和双温耦合理论方程,建立脉冲激光辐照加工金属材料模型;采用有限元方法数值模拟了脉冲激光辐照加工金属材料时,其温度场变化过程,模拟计算得到了脉冲激光辐照加工金属材料铬和45#钢激励产生的温度场中心点温度分布曲线,以及激光熔蚀金属材料铬的温度曲线,研究了脉冲宽度以及激光能量密度对电子和晶格温度分布的影响;通过对激光辐照加工45#钢表面形貌实验观察,验证了脉冲宽度以及激光能量密度对激光辐照加工材料的温度分布的影响,分析了激光能量密度和脉冲宽度对激光辐照加工金属材料的表面形貌影响。 数值模拟分析表明:脉冲宽度对激光辐照区域电子温度、晶格温度和温度分布都有影响,当激光能量密度不变,随着脉冲宽度越来越大,电子的温度升高速度越来越慢,最高温度值越来越小,达到最高温度值需要的时间越来越长;随着激光能量密度越来越大,辐照加工区域的最高温度值越来越大。实验分析得到:在激光能量密度、光斑半径相同情况下,脉冲宽度对材料热加工表面形貌有影响,随着脉冲宽度增加,孔径相应增大,说明激光辐照区域材料的温度场区域随着脉宽的增大而增大;在脉冲宽度、激光光斑半径相同的情况下,激光能量密度变化对材料加工表面形貌影响非常显著,随着能量密度增加,孔径、孔高、孔深全面增大,说明激光辐照区域材料温度场变化对能量密度的变化相当敏感。 本文研究揭示了脉冲激光辐照加工金属材料的温度分布变化规律,及其对表面形貌影响关系,为脉冲激光辐照加工烧蚀材料、加工微结构器件等的进一步研究提供了理论基础。