0Cr18Ni9不锈钢激光打孔工艺及数值模拟研究

论文摘要

与传统的机械加工方法相比，激光打孔技术具有效率高、无工具损耗、可打出小至几微米的微孔、通用性强和经济效益显著等优点，在现代微小孔加工中应用日益广泛。本文以0Cr18Ni9不锈钢板为研究对象，采用高斯热源模型，应用有限元分析软件ANSYS对激光打孔过程的温度场进行数值模拟，获得了不同功率和加热斑点半径下瞬态温度场分布，以及热影响区、孔深和上孔径随时间变化的关系图。研究表明，随着作用时间的增加，热影响区会逐渐减小，孔深和上孔径会逐渐增大；当加热斑点半径一定时，随着激光功率的增加，热影响区会逐渐减小，孔深和上孔径会逐渐增大；当功率一定时，随着加热斑点半径的增加，热影响区会逐渐增大，孔深和上孔径会逐渐减小。选取0.5mm和1.0mm两种厚度的板材，利用CO2激光器进行激光打孔试验，并用工具显微镜来测量小孔的上、下孔径。借助ORIGIN软件得到孔径和锥度的变化规律图，研究了激光功率、脉冲宽度、离焦量，辅助气体等参数对上、下孔径和锥度的影响。小孔试验结果表明，上、下孔径以及锥度均随着激光功率的增加而增大，但激光功率过大时，孔入口处破坏会比较严重。随着脉冲宽度的增加，上、下孔径会逐渐减小，但锥度的变化不明显，采取较小的脉冲宽度，可以得到形状规则的小孔。正离焦时，随着离焦量的增加，上、下孔径以及锥度会逐渐减小；负离焦时，随着离焦量的增加，上、下孔径以及锥度会逐渐增大。由于过大的负离焦导致孔壁产生强烈的熔化，上孔径增大明显，蒸发作用很弱，导致产生盲孔，过大的正离焦，因能量密度降低，工件材料获得能量不足，虽然上孔径很小，但是材料的蒸发作用很弱，同样导致材料打不穿而出现盲孔，因此过大的正、负离焦均不可取。在相同的条件下，上、下孔径和锥度随着材料厚度的增加而逐渐减小。采用辅助气体，可以获得干净的工件表面和质量较高的小孔。初步研究了激光打孔中孔的形成机理。对模拟值与试验值进行了误差分析，变化趋势一致，验证了模拟分析的可行性，为激光打孔试验参数的选取提供了一定的理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 激光打孔原理及其技术问题
• 1.2.1 激光及其特性
• 1.2.2 激光打孔原理
• 1.2.3 激光打孔的特点
• 1.2.4 激光打孔存在的问题
• 1.3 激光打孔技术国内外现状及发展趋势
• 1.3.1 激光打孔技术国内外发展现状
• 1.3.2 激光打孔技术发展趋势
• 1.4 本论文研究的主要内容
• 第2章 0Cr18Ni9 不锈钢激光打孔温度场数值模拟
• 2.1 ANSYS软件介绍
• 2.2 0Cr18Ni9 不锈钢激光打孔温度场模拟分析
• 2.2.1 有限元法的基本思想
• 2.2.2 ANSYS有限元法热分析步骤
• 2.2.3 激光打孔温度场求解仿真
• 2.2.4 数值模拟结果及分析
• 2.3 本章小结
• 第3章 激光打孔试验准备和试验方案设计
• 3.1 激光打孔试验准备
• 3.2 激光打孔试验方案设计
• 3.3 本章小结
• 第4章 0Cr18Ni9 不锈钢激光打孔工艺试验研究
• 4.1 激光打孔的质量检测
• 4.2 0Cr18Ni9 不锈钢激光打孔工艺参数分析
• 4.2.1 激光功率对小孔尺寸的影响
• 4.2.2 脉冲宽度对小孔尺寸的影响
• 4.2.3 离焦量对小孔尺寸的影响
• 4.2.4 辅助气体对激光打孔的影响
• 4.3 试验值与模拟值的比较
• 4.4 激光与物质相互作用机理初步研究
• 4.4.1 金属对激光的吸收及其影响因素
• 4.4.2 光致等离子体
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 论文总结
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表论文
• 致谢