本文關(guān)鍵詞：鋁合金表面激光加工熱效應(yīng)仿真與實(shí)驗(yàn)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：鋁合金由于具有密度低、強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱性好、導(dǎo)電性好、成本低廉等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)制造中。但是隨著科學(xué)技術(shù)以及工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,對(duì)鋁合金的性能提出了更高的要求,一般的鋁合金硬度低、耐磨性差,難以滿足各方面的技術(shù)要求。通過(guò)激光加工改變材料表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)的表面改性技術(shù)可以顯著改善鋁合金的表面性能。但是,激光加工過(guò)程極快,對(duì)激光加工瞬態(tài)過(guò)程進(jìn)行完整、準(zhǔn)確地測(cè)試十分困難。為解決此類問(wèn)題,本文開(kāi)展了鋁合金表面激光加工的熱效應(yīng)仿真和實(shí)驗(yàn)研究,主要從以下幾個(gè)方面展開(kāi)：建立鋁合金表面激光加工溫度場(chǎng)分布的理論模型。通過(guò)對(duì)激光加工機(jī)理和激光輻照金屬表面的主要發(fā)生的物理現(xiàn)象展開(kāi)論述,建立了激光輻照金屬材料表面的理論模型以及求解材料溫度場(chǎng)分布的熱傳導(dǎo)方程,為下一步鋁合金表面激光加工的有限元仿真和實(shí)驗(yàn)研究提供了理論依據(jù)。為分析激光功率和掃描速度對(duì)加工質(zhì)量的影響,建立單條激光軌跡輻照鋁合金表面進(jìn)行激光加工的有限元仿真模型COMSOL Multiphysics的建模仿真過(guò)程主要包括物理場(chǎng)的選擇、模型的建立以及材料參數(shù)的定義、網(wǎng)格的劃分以及計(jì)算求解等。在建立激光輻照鋁合金表面的仿真模型時(shí),選擇“固體傳熱”物理場(chǎng),將激光束看作熱源,考慮激光熱作用下的熱傳導(dǎo)、表面對(duì)環(huán)境輻射和冷卻對(duì)流等邊界條件。激光功率影響激光能量密度,掃描速度影響激光作用的時(shí)間,通過(guò)調(diào)整激光參數(shù),得到不同激光功率和掃描速度下的仿真結(jié)果。仿真結(jié)果主要包括不同時(shí)刻和不同材料位置處的材料溫度、熔化氣化深度、寬度和面積、冷卻速率和溫度梯度,它們與激光功率成正比,與掃描速度成反比,且越接近激光束的中心位置越大。為分析激光填充線間距對(duì)激光加工質(zhì)量的影響,建立多軌跡激光輻照鋁合金表面進(jìn)行激光加工的有限元仿真模型。在此仿真過(guò)程中,除了考慮激光功率和掃描速度的影響外,還要考慮填充線間距對(duì)激光加工的影響。激光線間距會(huì)影響激光輻照在材料表面的總時(shí)間和激光束之間的重疊率。激光線間距越小,激光束作用下材料區(qū)域受上一條激光軌跡的預(yù)熱影響更明顯,有較高的初始溫度,故材料溫度更高,氣化率更大。在鋁合金表面進(jìn)行激光加工實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)得到的加工深度與仿真結(jié)果相近,證明仿真模型是正確有效的,為實(shí)際的激光加工提供工藝參數(shù)指導(dǎo)。進(jìn)行鋁合金表面激光加工實(shí)驗(yàn),分別在材料表面加工出點(diǎn)陣狀、直線和網(wǎng)格圖案。激光加工后鋁合金材料表面顯微硬度明顯提高,且材料表面加工出點(diǎn)陣狀圖案后顯微硬度最大,網(wǎng)格圖案次之,直線圖案最小。且有增加材料表面摩擦穩(wěn)定性,降低摩擦系數(shù)的作用,且加工密度越大,材料表面摩擦系數(shù)越小,減磨效果越好。
【關(guān)鍵詞】：激光加工 鋁合金 熱效應(yīng)仿真 實(shí)驗(yàn)研究
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TG665;TN249
【目錄】：

• 摘要11-13
• ABSTRACT13-15
• 第1章 緒論15-27
• 1.1 引言15
• 1.2 激光加工改性方法及研究現(xiàn)狀15-18
• 1.2.1 激光表面重熔16-17
• 1.2.2 激光熔覆17
• 1.2.3 激光表面合金化17
• 1.2.4 激光表面織構(gòu)17-18
• 1.3 激光加工數(shù)值模擬方法18-21
• 1.3.1 解析法18-19
• 1.3.2 有限差分法19-20
• 1.3.3 有限體積法20
• 1.3.4 有限元法20-21
• 1.4 影響激光加工質(zhì)量的因素21-24
• 1.4.1 激光束類型和形狀的影響22
• 1.4.2 激光能量密度的影響22-23
• 1.4.3 激光脈沖寬度的影響23
• 1.4.4 線間距的影響23
• 1.4.5 激光波長(zhǎng)的影響23-24
• 1.5 本文研究?jī)?nèi)容24-27
• 1.5.1 研究目標(biāo)24
• 1.5.2 研究?jī)?nèi)容24-27
• 第2章 鋁合金表面激光加工溫度場(chǎng)理論模型的建立27-37
• 2.1 激光作用下材料表面加工機(jī)理27
• 2.2 激光輻照金屬材料表面的物理現(xiàn)象27-29
• 2.3 激光熱傳導(dǎo)理論模型的建立29-34
• 2.3.1 熱傳遞現(xiàn)象29-31
• 2.3.2 激光熱源模型31-33
• 2.3.3 激光和金屬材料相互作用理論模型的建立33-34
• 2.4 材料的物理參數(shù)34-36
• 2.4.1 6061鋁合金的組成成分34
• 2.4.2 鋁合金的主要熱物理參數(shù)34-35
• 2.4.3 鋁合金的吸收率35-36
• 2.5 本章小結(jié)36-37
• 第3章 激光輻照鋁合金表面的熱效應(yīng)仿真建模37-55
• 3.1 COMSOL Multiphysics軟件37-38
• 3.1.1 COMSOL Multiphysics簡(jiǎn)介37
• 3.1.2 COMSOL Multiphysics建模求解過(guò)程37-38
• 3.2 COMSOL Multiphysics仿真建模過(guò)程38-44
• 3.2.1 物理場(chǎng)的選擇38
• 3.2.2 幾何模型的建立38-39
• 3.2.3 COMSOL Multiphysics中參數(shù)設(shè)置39-42
• 3.2.4 邊界條件的設(shè)定42-43
• 3.2.5 求解網(wǎng)格的剖分43-44
• 3.3 COMSOL Multiphysics仿真結(jié)果44-54
• 3.3.1 改變激光功率的鋁合金溫度場(chǎng)分布44-46
• 3.3.2 改變激光掃描速度的鋁合金溫度場(chǎng)分布46-47
• 3.3.3 改變激光功率的鋁合金溫度變化規(guī)律47-49
• 3.3.4 改變激光功率的鋁合金的熔化氣化深度、寬度和面積49-51
• 3.3.5 改變激光功率的鋁合金的溫度梯度和冷卻速率51-53
• 3.3.6 實(shí)驗(yàn)加工指導(dǎo)53-54
• 3.4 本章小結(jié)54-55
• 第4章 多軌跡激光輻照鋁合金表面的熱效應(yīng)仿真建模55-65
• 4.1 線間距55-56
• 4.2 多軌跡激光加工有限元模型56-60
• 4.2.1 有限元模型的建立56-57
• 4.2.2 激光參數(shù)設(shè)置57-58
• 4.2.3 模型參數(shù)設(shè)置58-60
• 4.3 COMSOL Multiphysics仿真結(jié)果60-64
• 4.3.1 溫度場(chǎng)分布隨時(shí)間變化規(guī)律60-61
• 4.3.2 不同線間距下溫度仿真結(jié)果61-63
• 4.3.3 不同線間距下材料氣化深度63-64
• 4.3.4 實(shí)驗(yàn)加工指導(dǎo)64
• 4.4 本章小結(jié)64-65
• 第5章 鋁合金表面激光加工實(shí)驗(yàn)研究65-75
• 5.1 有限元仿真模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證65-67
• 5.2 鋁合金表面激光加工實(shí)驗(yàn)研究67-74
• 5.2.1 鋁合金試樣的制備67-68
• 5.2.2 鋁合金表面形貌觀測(cè)68-69
• 5.2.3 鋁合金表面激光加工對(duì)顯微硬度的影響69-72
• 5.2.4 鋁合金表面激光加工對(duì)摩擦性能的影響72-74
• 5.3 本章小結(jié)74-75
• 總結(jié)與展望75-77
• 參考文獻(xiàn)77-83
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文83-85
• 致謝85-86
• 附件86

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