毫秒激光與金屬材料相互作用中的熱學和力學效應研究.pdf

1、毫秒激光與金屬材料相互作用中將出現(xiàn)一系列的熱學和力學效應。本文針對塑性屈服、熔融及小孔成形過程進行了理論計算、有限元模擬和實驗研究。
　　 從實驗和數(shù)值模擬兩個方面研究了毫秒激光致金屬材料產(chǎn)生塑性屈服的現(xiàn)象。在測量了薄鋁板上反鼓包的成形過程的基礎(chǔ)上,依據(jù)熱傳導理論及熱彈塑性力學理論,用有限元法模擬了相關(guān)變形過程,通過比較實驗和數(shù)值結(jié)果驗證了數(shù)值算法的合理性。繼而建立了毫秒激光與厚航空鋁合金板相互作用的物理模型,用有限元法模擬了溫

2、度場和應力場的分布,得到了塑性屈服時間、范圍以及殘余應力的大小。并且將這幾方面作為評判標準,比較了高斯型與頂帽型激光使厚鋁合金板產(chǎn)生塑性屈服的過程。
　　 依據(jù)毫秒激光致金屬厚板產(chǎn)生熔融相變情況,建立了半無限大軸對稱模型?；跓醾鲗Ю碚摷皽囟确植夹问?得到了溫度和熔融深度的解析解,并利用實驗研究獲得的熔池形貌驗證了解析計算結(jié)果。進而討論了熔融深度與作用激光脈寬及能量的關(guān)系,對深度先隨脈寬增加然后又減小的現(xiàn)象進行了解釋。
　

3、　 提出了毫秒激光逆重力方向?qū)皲X板打孔的實驗方法,并根據(jù)實驗和溫度解得到了小孔深度解析式。進而比較了激光順打孔(順重力方向)和逆打孔實驗中熔融物的遷移質(zhì)量、掛渣現(xiàn)象和小孔體積,討論了重力對于物質(zhì)遷移的作用。證明了逆打孔時激光能量更多的用于將材料加熱至熔融,在重力輔助作用下,熔融物質(zhì)更易遷移出孔,因而打孔效率更高。繼而改變激光能量進行實驗研究,發(fā)現(xiàn)大能量毫秒激光打孔較深,且算法需考慮離焦效應的影響。然后利用改進后的算法研究了毫秒激光對

4、不同金屬材料的打孔速率。
　　 針對激光打孔時光在小孔中傳輸?shù)膶嶋H情況建立物理模型,分別采用物理光學法及光線追跡法研究了光束在小孔內(nèi)多次反射過程,計算了小孔對入射光的總吸收率和吸收光強在小孔內(nèi)的分布情況。通過比較計算結(jié)果得到結(jié)論:當孔口衍射作用明顯或孔直徑小于入射光波長時,光線追跡法將不再適用于計算小孔吸收,其中衍射的作用取決于偏振態(tài)、入射角度、光斑大小及小孔邊緣處的相對光強。
　　 本文的研究結(jié)果可為進一步研究毫秒激光