激光辐照铝合金材料热效应分析

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激光加工铝合金材料时,铝合金材料对激光能量的吸收率是关键参数之一,并且吸收率的大小取决于铝合金材料对激光能量的沉积速度。研究表明,通过在铝合金材料表层添加涂料、增大表面粗糙度等方法,均可提高铝合金材料对激光能量的吸收率。但是这些方法不但成本高,而且工艺难度繁琐。采用组合激光方式对铝合金材料进行热处理,可极大地提高铝合金材料对激光能量的吸收率。本文根据热弹塑性理论与经典热传导理论,分析了铝合金材料在毫秒脉冲激光与连续激光以不同时序及不同参数组合辐照下,铝合金材料瞬态温度场及应力场的特性。定量计算了激光光束的时间间隔或延时、光斑半径、激光功率等因素对铝合金材料温度场及应力场分布的影响。主要工作如下:当使用毫秒脉冲激光先于连续激光辐照铝合金时,分析了毫秒脉冲激光预热时长及光斑半径、激光功率(或能量)等工艺参数对铝合金材料温度场及应力场的影响。计算结果表明,随着预热时长的递增,铝合金材料被毫秒脉冲激光预热的越充分,对连续激光的吸收率就越大;连续激光在毫秒脉冲激光辐照期间的最佳注入时间点为脉冲辐照周期结束时刻;预热时间对铝合金材料中心点的温升影响比功率密度更为明显;相比于只采用连续激光,使用组合激光辐照铝合金材料时,能够缩短屈服时间,提高塑性应变,并扩大屈服范围。针对连续/毫秒脉冲组合激光联合辐照铝合金的仿真模式,即先用连续激光对铝合金材料预热一段时间后,再施加毫秒脉冲激光。数值计算了铝合金材料的温度场及应力场随延时及激光参数的变化规律。计算结果表明,随着延时的增加,铝合金材料中心点的最高温度呈线性增加,组合激光对铝合金靶材的影响区域越大;使用连续激光和毫秒脉冲激光联合辐照铝合金材料,毫秒脉冲激光滞后于连续激光的时间大于某特定值时,毫秒脉冲激光造成的温升才会增加;由于脉冲间的塑性应变积累效果不明显,采用连续激光预热铝合金材料时,其屈服时间更短、屈服范围以及塑性应变更显著。本文的研究结果可以为组合激光的应用提供理论和实验依据,为激光加工领域的发展提供一定的技术支撑。
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