论文部分内容阅读
激光打孔是最早达到实用化的激光加工技术，也是激光加工的主要应用领域之一。在激光打孔过程中，激光器参数对小孔质量有着直接的影响，也是激光打孔工艺方案选择及最佳工艺参数确定的主要研究内容之一。本文论述了激光打孔过程中激光与材料的相互作用，重点介绍了金属与激光作用的机理，并建立了数学有限元模型，从打孔过程的温度场模拟，激光打孔工艺参数优化等方面进行了研究。主要内容如下：
1、建立激光打孔的有限元模型。利用APDL语言进行编程，对激光作用区域施加高斯激光热流密度载荷，模拟打孔过程中的温度场分布，并利用单元生死模拟激光钻孔形貌的变化过程。通过实验发现，激光光斑中心温度最高，在热流加载的瞬间达到5.617×103℃，并以光斑为中心逐渐降低。随着热流加载时间的增长，孔的深度不断增加，孔的形貌渐渐接近圆锥形。利用扫描电子显微镜观测实际激光打孔孔的形貌，与模拟结果进行比较，两者基本吻合，证明了激光打孔数值模拟的可行性。
2、研究了激光脉冲能量对激光打孔质量的影响。发现孔径随着单脉冲能量的增大而增大，当脉冲能量为2.1焦耳时，孔的入口孔径为0.317mm，出口孔径为0.246mm；当激光脉冲能量为10.4焦耳时，孔的入口孔径为0.493mm，出口孔径为0.368mm。但是，孔径的增大速度随着能量的增大变得逐渐缓慢，而且这种增大不是无止境的。
3、研究了激光脉冲宽度对激光打孔质量的影响。通过实验发现，当单个脉冲能量为5焦耳，激光脉宽从0.3ms增长到2.6ms时，得到的孔径逐渐变小，从0.483mm减小到0.324mm，孔径减小了36％。在脉冲宽度比较小时，孔的形状比较规则；而当脉冲宽度变大时，孔内有较多的残留物，表面粗糙度降低，孔的尺寸精度下降。当脉冲能量为2焦耳，脉冲宽度由0.2ms增加到0.9ms时，孔深从1.34mm增长到了1.71mm。但是当脉冲宽度过大时，被加工点的能量密度大大下降，孔深反而会变小。
4、脉冲激光的脉冲个数对激光打孔有很大影响。激光脉冲的总能量为3.42焦耳，总脉宽为2ms，当脉冲个数从1个增长到9个，即脉冲宽度从2ms变为2/9ms时，孔的孔径从0.413mm减小到0.312mm，这说明在总能量相同的情况下，采用多个短脉冲打孔能得到更小的孔径。当每个脉冲的脉冲能量为0.4焦耳，脉冲个数从1个增长到8个时，孔的深度从0.26mm增长到了1.72mm，孔深增大了5.6倍。这说明当脉冲的脉冲能量固定时，激光打孔孔的深度随着脉冲个数增多而增大，但增大速度逐渐降低。
5、辅助气体是影响激光打孔质量的一个重要因素。辅助气体在激光打孔中主要起着两方面的作用，即将液态金属吹出试件，并冷却试件。通过实验发现，对于不锈钢，氧气比氮气有更好的打孔效果。