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激光毛化过程热效应的有限元数值仿真分析

作　者: 梁钰
导　师: 陈培锋
学　校: 华中科技大学
专　业: 物理电子学
关键词: 激光毛化热传导扫描相变潜热自然对流 Marangoni对流微形貌
分类号: TN249
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 39次
引　用: 3次
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内容摘要

近年来,随着汽车与家电工业的迅速发展,人们对采用毛化技术轧制的冷轧薄钢板的深冲、涂镀性能的需求与日俱增。然而目前人们对激光毛化的研究还不是很充分,特别是对激光毛化工艺技术的研究距离生产实际的需求还有很大距离。因此,为了深入理解激光毛化的机理,进而优化加工参数,对激光毛化进行理论研究与数值仿真是很有必要的。本论文通过由浅入深建立理论模型并做相应的仿真分析的方式,对激光毛化的技术参数及其对激光毛化效果的影响进行了研究。本论文的主要工作如下:(1)从激光与材料相互作用时的热传导、熔质对流以及汽化作用等多个角度,详细阐述了激光毛化的机理,建立了激光毛化的数学模型。(2)以不考虑流体流动为基本假设,建立传统毛化光路系统的热传导模型,并进行了仿真研究,得出了扫描方式下只能得到形状不规则的椭圆形毛化坑的结论。(3)以改进光路为基础,在模型中考虑热传导过程中的相变潜热,通过有限元仿真展现了相变潜热的影响;得出激光功率和光斑半径分别与熔池宽度和深度近似呈线性关系,熔池中的最高温度近似与功率密度呈线性关系的结论,并初步确立了加工参数的大致范围。(4)建立了描述激光毛化的计算流体动力学模型,首先不考虑自由表面,只对自然对流做模拟,得出自然对流对熔池微形貌影响甚微的结论;然后对熔质表面张力梯度引起的Marangoni对流进行了模拟,并追踪了熔池自由表面的形成过程,得出毛化坑微形貌为中间凹陷、周围凸起的火山口状;并且得出在激光脉冲后半段,Marangoni对流的作用超过了热传导的结论,并进一步精选出了加工参数的范围。本论文的研究对激光毛化加工实践有一定的指导作用。

激光毛化过程热效应的有限元数值仿真分析

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