论文部分内容阅读
材料表面的激光加工是一个瞬态的、非平衡、极不均匀的复杂物理化学过程，所形成的温度场及熔化过程中的流动状态的变化都会对材料表面成形质量和组织转变产生重要影响。由于材料表面激光加工中加工质量难于在线监测、而需大量实验研究来优化工艺参数，因此材料表面激光加工的传热和流体流动过程研究已成为当前激光加工研究领域的热点，其中材料表面激光加工热过程的建模和分析是研究工作中的难点。
材料表面激光加工热过程是涉及激光束、被加工工件及周围环境相互作用的复杂热交换问题，其中因辅助气体等导致的对流换热边界条件变化将对温度场分布及加工质量产生很大影响。本文提出了考虑对流换热因素的阶形脉冲激光加工热过程解析解模型，对无量纲参数进行了适当地设置和定义，研究了无量纲参数与温度分布之间的相互关系。通过分析表明，随着Bi值的增大，外界对流换热作用渐强烈，使得温度最大值所处位置偏离材料表面，逐渐向内部偏移。本文建立了激光加工红外测温系统，采用红外测温的方法对解析解模型进行了实验验证，取得了较为理想的结果。
在材料表面激光加工中，材料的快速熔凝和大温度梯度将导致材料表层形貌、组织和性能变化。为深入分析这一热物理过程，需要讨论材料表面激光加工的传热和流体流动。本文以GCr15轧辊为例，提出并建立材料表面激光加工热流过程的解析解—数值解混合模型、表面张力模型、相变膨胀定量分析模型。依据所建立的材料表面激光加工热流过程解析解—数值解混合模型，成功实现了轧辊表面等间隔均匀分布的球冠状微凸新形貌。对轧辊表面激光加工过程进行了实验研究，分析了激光加工参数对轧辊表面形貌的影响，通过硬度和耐磨性分析表明：轧辊表面微凸形貌有较高的表面硬度和很好的耐磨性。
上述研究工作为更全面和深入认识材料表面激光加工以及薄板激光焊接等工艺方法的物理过程，进而精确建模和质量控制提供了理论基础。