【摘 要】
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激光制孔具有加工效率高、范围广、适应性强和经济效益好等优点被广泛应用于现代的多种工业加工中。毫秒激光制孔相对于其他种类的激光制孔有较高的加工效率,但是毫秒激光制孔仍存在一些像圆度差、锥度大、表面质量不好等质量缺陷问题。本文从激光制孔产生缺陷的原因出发,提出一种利用磁场来辅助毫秒激光制孔的方式。在研究了磁场辅助毫秒脉冲激光制孔机理的基础上又展开了相关的实验研究。本文先介绍了激光的相关历史背景、目前激
【基金项目】
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国家重点基础研究发展计划(973项目); 江苏省自然科学基金项目;
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激光制孔具有加工效率高、范围广、适应性强和经济效益好等优点被广泛应用于现代的多种工业加工中。毫秒激光制孔相对于其他种类的激光制孔有较高的加工效率,但是毫秒激光制孔仍存在一些像圆度差、锥度大、表面质量不好等质量缺陷问题。本文从激光制孔产生缺陷的原因出发,提出一种利用磁场来辅助毫秒激光制孔的方式。在研究了磁场辅助毫秒脉冲激光制孔机理的基础上又展开了相关的实验研究。本文先介绍了激光的相关历史背景、目前激光在工业上的应用、激光制孔的种类和方式,接着围绕激光制孔目前常用的辅助工艺进行说明,又介绍了目前国内外激光制孔以及磁场辅助激光加工的研究现状。进一步的,介绍了激光的自身特性、激光与材料及等离子体之间的相互作用原理。此外,对实验前后的材料处理方式、实验中所用到的相关设备及平台的搭建也做了相应的说明。以APDL语言为基础,采用生死单元法对毫秒激光冲击制孔进行了温度场模拟和微孔的形状模拟,在对比了实验结果和模拟结果后发现,模拟得到的结果除了在孔径大小上与实验结果有差距,其他都与实验结果有着较好的拟合度,而孔径对比结果的差异性主要与模拟中材料的去除比较理想化有关。综合来看,模拟与实验的吻合度较好。利用搭建的磁场辅助毫秒制孔平台进行了毫秒环切制孔的实验研究。在有/无磁场的环境下,研究了环切速度和环切圈数对入口飞溅、出入口孔径及锥度、孔壁粗糙度和重铸层以及孔内元素的影响。通过分析实验结果发现,环切速度增加会导致孔圆度和锥度的下降,磁场辅助在环切速度较大时作用比较明显。环切圈数的增加不利于入口圆度,锥度最大时出现在环切圈数为2圈的时候。磁场可以有效减少孔内壁的重铸层但不能有效改变孔壁内元素的含量,即磁场并不能改变孔内的氧化现象。最后,进行了磁场辅助毫秒激光冲击制孔实验,主要研究了脉冲能量、脉冲宽度、脉冲个数对入口飞溅、出入口孔径及锥度、孔壁粗糙度和重铸层及孔口周围元素的影响。随着脉冲能量的增加,孔的成型质量越好,磁场可以有效提高低激光能量时的制孔效率。脉冲宽度的增加导致上孔径的增加,但是不利于微孔的成型效果。脉冲个数的增加对孔径影响很小,磁场辅助可以有效减少孔入口周围的飞溅并对冲击制孔内壁的成型效果和孔壁轮廓都有一定的益处。同样,磁场可以有效改善孔内不同位置重铸层厚度及粗糙度并且可以增加制孔深度,但无法抑制孔口周围氧化现象的发生。
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