超声辅助毫秒脉冲激光环切制孔的数值模拟及实验研究

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相比较于传统打孔方式,激光打孔的效率高,柔性好,质量高,在工业应用广泛,所以受到了制造业的青睐。但是毫秒脉冲激光打孔仍存在很多问题,比如重铸层、微裂纹、氧化层等。本文提出了一种超声辅助激光环切制孔的方法,在GH4037高温合金和304不锈钢上对超声辅助激光环切圆孔和方孔进行了原理探索和实验研究。从激光束的特性、激光打孔物理过程、超声辅助激光环切盲孔和通孔的形成原理来阐明超声辅助激光环切制孔的原理,此外还介绍了超声辅助激光环切制孔平台的搭建、实验设备以及材料处理的方法。通过假设和简化模型,建立了三维的激光环切圆孔和激光环切方孔的物理模型和有限元模型,模型中考虑了边界条件以及相变潜热,同时还介绍了高斯移动热源模型以及热源模型的施加。利用生死单元法模拟研究了脉冲能量和脉冲宽度对激光环切制孔的孔形、孔径、锥度、圆度以及温度场的影响,并和实验结果进行了对比,为后续实验方法的制定和参数的选择提供了指导。超声场被引入到Nd:YAG激光环切圆孔的过程中,研究了超声功率和脉冲能量对高温合金上圆孔的几何形状和冶金质量的影响。此外,还对高温合金进行了能谱分析,揭示了超声振动对激光环切圆孔入口周围区域元素组成的影响。结果表明,耦合到Nd:YAG激光环切圆孔工艺中的轴向超声振动可以有效地改善孔的入口形貌,同时减少微裂纹等冶金缺陷。此外,相对较高的超声功率有利于改善激光环切圆孔质量,比如锥度、重铸层厚度都变小,微裂纹相对而言也减少。但是,超声辅助对激光环切圆孔内壁的氧化层没有明显的改善。针对激光环切方孔的初始路径所出现的豁口问题,对激光环切方孔的路径进行了优化。将超声场引入到Nd:YAG激光环切方孔的过程中,在304不锈钢上研究了超声功率、脉冲宽度和脉冲能量对激光环切方孔质量的影响,此外,还对304不锈钢进行了能谱分析,揭示了超声振动对激光环切方孔的入口拐角周围区域元素组成的影响。结果表明:脉冲宽度的增加,会使方孔边长和锥度变小,但却使重铸层厚度变厚。脉冲能量的增加,却会使方孔边长、锥度和内壁重铸层厚度增大。超声功率的增加对方孔边长影响比较小,但是可以减小孔锥度和重铸层厚度。此外,使用超声振动辅助可以明显地改善孔入口形貌,抑制微裂纹的产生。超声振动同样对304不锈钢上进行激光环切方孔的内壁氧化层没有明显作用。
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