（机械制造及其自动化专业论文）激光打微孔作用机理及工艺研究.pdf

中文摘要 在机械加工中孔加工是所占比例较大的一道重要的加工工序。这些孔的特点是： 尺寸微小，数量巨大，费工费时，加工精度要求高，形状复杂，加工难度大。虽然目 前已发展了大约有5 0 余种微小深孔的加工方法，其中最常用的小孔加工方法有：机械 加工、电火花加工、电解加工、超声加工、电子束加工及激光加工等。由于硬度大、 熔点高的材料的使用越来越多，传统的加工方法已不能满足某些工艺要求。所以激光 打孔也成为适应时代需要的一种技术。 本文结合激光与物质相互作用的机理，系统的论证了激光打孔的基本原理。利用 有限元法，分析并解决了建立碳钢激光打微孔中热源模型的难题：非稳态问题、非线 性问题及相变问题。利用有限元分析软件a n s y s 对碳钢激光打微孔过程的温度场进行 模拟分析，得出不同时刻及不同能量时其温度场分布情况。 选取含碳量不同的三种材料：不锈钢、5 0 # 钢和t 8 钢，进行碳钢激光打微孔实验。 用y a g 激光器来进行实验，并用2 5 d 影像测量仪来读取数据，把模拟值与实验值进行 了比较，为碳钢激光打微孔实验参数的选取提供了依据。在实验的基础上对激光打孔 的工艺进行了分析和研究，得出了激光打孔中的参数：脉冲能量、脉冲数量、脉冲宽 度、离焦量、脉冲重复频率，对碳钢激光打微孔质量的影响情况以及这种影响情况随 着含碳量不同的变化。 关键词：激光打孔碳钢有限元模型温度场 a b s t r a c t h o l ei i lm a c h i l l i n gp r o c e s s i n gi sal a 玛e rp r o p o n i o no ft h ei m p o r t a mp r o c e s s i n g t h e s e h 0 1 e sa r ec h a r a c t e r i z e d b y ： s m a l l s i z e ，1 a 曜eq u a n t i t i e s ， f o rt h e t i i n e - c o l l s u m i i l g ， k g h - p r e c i s i o nm a c l i i l i n g ，c o m p l e xs h a p e ，p r o c e s s i l l ga n dd i 伍c u l t 舢t h o u g ha tp r e s e n th a s d e v e i o p e ds o m e5 0k i i l d so fs m a l ld e 印h o l eo ft h ep r o c e s s i n gm e t h o d s ，m em o s tc o m m o l l l y u s e dm e t h o do fp r o c e s s i i 培s m a l lh o l e sa r e ：m a c l l i l l i n g ，e d m ，e c m ，u l t m s o i l i cp r o c e s s m g ， e - b e 锄l a s e rp r o c e s s i n ga n dp r o c e s s i n g a sh a r d n e s s ，k g hm e l t i n gp o i n to f l eu s eo fm o r e a n dm o r e ，t h e 仃a d i t i o m lp r o c e s s m gm e t h o d sc a i ln o tm e e tc e n a i l lt e c h i l i c a lr e q u i r e m e n t s t 1 1 e r e f o r e ，l a s e r 血l l 吨a d a p tt on l en e e d so f t h et i i l l e sh a sb e c o m eab n do ft e c l l l l o l o 盱 l a s e r “l l i n gb a s i cp r i n c i p l ew a ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l ya c c o r d i i l gt om ei n t e r a c t i o n m e c h a l l i s mb e 时e e i ll a s e ra n d 血l l e ds u b s t a l l c ei nt h i sp 印e r p r o b l e mo fu n s t a b l es t a t u s ， n o i l l i n e a rp r o c e s sa 1 1 dp h a s et r a n s i t i o ni 1 1 血1 1 i n gb o r e sw i t l ll a s e ro nc a r b o ns t e e lw a ss o l v e d b yu s m gm e t l l o do ff 砬t ee l e m e n ta n a l y s i s h e a rs o u r c em o d e la 1 1 dt e m p e r a t u r eg r a d e s m o d e lw e r ea l s os e tw i t ht h es o f 时a r eo fa n s y sf o rc a r b o ns t e e l t oi n d u c et h ed i s t r i b u t i o n o f t e 埘i p e r a t u r es t y l e t l l r e ek 砌so fc 砷o ns t e e l s ( s t a “e s ss t e e l ，5 皑a n dt 8 ) w 曲d i 行e r e n tq u a n t 毋o f c 舶o nc o n t e n t sw e r eu s e di i lt h ed d l l i n gt e s ta n dt h er e s u l tg o tb yc o m p a r i n ga n a l o g u e v a l u e sa 1 1 de x p e r i m e n t a ld a t ao 髓rp r a c t i c a lg i s tf o rl a s e r 嘶l l 地b o r e so nc 舶o ns t e e l t 1 1 a t k i n do fd r i l l i i l gt e c k n c sw a sa l s os t i l d i e d ，m ei 1 1 f e c t i o no fi 1 t l p u l s ee n e 唱y ，i m p u l s eq u a n t i 坝 i l n p u l s e 丘e q u e n c ya n df o c u sd i s t a n c ef o rt m sl ( i n do fl a s e r ( 1 r i l l i n go nd i f r e r e n tc a r b o ns t e e l s w a sa j l a l y z e d b ya 1 1 a l y z i n gt 1 1 e i n c o i i l i n gr e a s o n so fr e c a s tl a y e r si nc a r b o ns t e e l s ， n e x u sb e t w e e nt h i c k n e s so fr e c a s t1 a y e ra n dl a s e r 丘e q u e n c y ，a n db 鲍e e nb o r es m o o t l l n e s s a n dc a r b o nc o n t e n t sw a se l i c i t e d t o o k e yw 6 r d s ：l a s e r “1 1 i n g c a r b o ns t e e l m o d e io ff m i t ee l e m e n t s t e m p e r a t u r e t i e l d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究戏果，除了文串特裂船以标注稻致谢之处给，论交中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：卒h 登崧 签字日期：印子年月2 弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨叠盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 岛国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：档茹差亥导师签名： 签字日溺：卯8 年孑月乒3 日签字日期： 月 第一章绪论 第一章绪论 激光技术是2 0 世纪对人类文明及社会进步影响最深远的重大科技成果之一。1 9 6 0 年，美国休斯实验室的t h m a i n a n 用中0 6 咖、长4 5 彻的红宝石固体工作物质，成 功地产生了波长为0 6 9 4 3 l i i l 的脉冲激光，这就是世界上第一台激光器，它受到科研领 域的高度重视。 随着科学技术的迅速发展，激光技术应用范围越来越广，尤其在加工领域中的应 用。激光加工是指激光束作用于物体的表面而引起物体形状改变或物体性能改变的加 工过程。激光加工技术己广泛应用于汽车、电子、电器、航空、能源和机械制造等国 民经济重要部门，对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染及减少材料消耗等 起到越来越重要的作用，被誉为“未来制造系统的共同加工手段”，将成为2 1 世纪世 界工业中的骨干产业【1j 。 目前正处于激光开始向传统制造技术中许多工艺过程积极渗透的阶段。作为科学 技术发展的主要标志和现代信息社会光电子技术支柱之一的激光技术和激光产业的发 展受到世界先进国家的高度重视。激光加工、激光快速成型、激光制膜和激光检测等 技术的迅速发展促进了新的先进制造技术激光先进制造技术的形成。激光先进制 造技术在汽车、冶金、航天航空、机械、纺织、化工、建筑、造船和微电子工业等领 域得到了广泛的应用。 1 1 激光束的特点 激光加工技术之所以能够这样迅速的发展，主要是由于其自身的特点。概括地说， 激光有四大特点：高亮度、高方向性、高单色性和高相干性，激光所具有的优异特性 是普通光源望尘莫及的【2j 。 1 激光的高亮度 光源亮度是描述发光表面特性的一个物理量。光源的亮度( b ) 定义为光源单位发 光表面( s ) 沿给定方向上单位面积上发出的光功率( j p ) 的大小， d 肚；i 矿 n 。1 式中：彳一光斑直径；9 一发散角。曰的单位为w c m 2 s r 。 太阳光的亮度值为2 1 03 w c m 2 s r ，而气体激光器的亮度值为1 0 8 w c m 2 s r ，固 体激光器的亮度高达1 0 1 1 w c m 2 s r 。例如，一支输出功率为1 m w 的h e n e 激光器输出的 第一章绪论 激光，经过透镜聚焦后，其亮度比太阳的亮度高1 0 万倍。这是由于激光器的发光截面 ( s ) 和立体发散角( q ) 都很小，而其输出功率( p ) 都很大的缘故。不仅如此，具 有很高强度的激光束经过透镜聚焦后，能在焦点处产生数千度甚至上万度的高温，这 就使其几乎可以加工任何材料。 2 激光的高方向性 普通光源发射的光射向四方，谈不上什么方向性，光束发散角大；而激光发散角 小，一般为几个毫弧度，方向性也好。如将激光射向月球，则在月球表面的光斑直径 不超过2 k m 。 激光束通常按照高斯光束传播，在激光束聚焦后也是如此，激光束的发散及光强 分布见图卜1 所示。 j 1 j 玎f 蹦p 2 赢p o u z ，o ( ) = ( ) 矿 i 恻! ( b ) 图卜1 高斯光束 ( a ) 高斯光束的光斑尺寸与距离的关系 ( a ) ( b ) 高斯光束的光强分布( z = o ，w = ；h o ，w 甄) 发散角是光束能量及发散程度的衡量，也是光束方向性的度量，其大小由高斯光 束的光斑尺寸随z 的变化决定： 2 日：2 盟塑 出 ( 1 2 ) 式中，p 为光束发散角( 半角) ，形( z ) 为高斯光束半径；z 为沿z 轴传播的距离。 激光的高方向性使其能在有效地传递较长的距离的同时，还能保证聚焦得到极高 的功率密度，这两点都是激光加工的重要条件。 3 激光的高单色性 普通光源发出的光均包含较宽的波长范围，即谱线宽度宽，激光为单一波长，谱 线宽度极窄，通常在数百纳米至几微米，与普通光源相比，谱线宽度窄了几个数量级。 激光器所发出的激光具有其它光源的光所难以达到的、极高的单色性，这是由于构成 激光阴谐振腔的反射镜具有波长选择性，并且利用原子固有能级跃迁的结果。 由于激光的单色性极高，从而保证了光束能精确地聚焦到焦点上，得到很高的功 第一章绪论 率密度。 4 激光的相干性 相干性主要描述光波各个部分的相位关系。其中，空间相干性描述垂直光束传播 方向的平面上各点之间的相位关系；时间相干性则描述沿光束传播方向上各点的相位 关系。相干性完全是由光波场本身的空间分布( 发散角) 特性和频谱分布特性( 单色性) 所决定的。 ( 1 ) 时间相干性 图卜2 为迈克耳逊干涉仪的光路图，表示出了光束的时间相干性。当光束产生相 干时，有一个相干时问f 。，则其光束的纵向相干长度为c f 。，c 为光速。以h e 一激光 束为例，它的相干时间f ，近似为1 0 _ 1 0s ，故其时间相干长度为3 0 c m 。对f ，有f ，二( ， 。 1 ， 为谱线宽度) i l 。 li ； 。 e 图卜2 迈克耳逊干涉仪光路图 其中，s 为光源，g 为分光器，e 为观察屏，m ，和m z 是两块平面反射镜，m z 固定不 动，m - 可沿法线方向移动；当两束光会合叠加，就会产生干涉现象，从e 处可观察到 干涉图样。 对于一台激光器，近似为5 0 0 h z ，相干时间f 为2 1 0 3 s ，则激光束的时间相 干长度能达到6 1 0 ，c m ：如果对激光器进行锁模，z 可压缩到l o 叫s ，则此时锁模激光 束的时间相干长度仅为c f = 3 1 0 1 0 1 0 曲c m = 3 0 c m 。 ( 2 ) 空间相关性 如图卜3 所示，蛞：，d d ，空间相干长度，：等z 翌，允为波长。对于 z 口l 由点源伸长的扩展源，要得到很好的相干性，必须使d d 或d 要( 这里p 。兰) 。 g s 一 1 f _ 一f d s s ： i ld 一 _ - 图卜3杨氏双缝实验光路图 o 第一章绪论 其中，s 为光源，s 。和s 。为两窄缝，d 为s 至s ，和s 。缝间的距离，从这里可以看出， 空间相干长度与p 有关，对于普通光源，为了得到空间相干光，必须通过针孔，而激 光束具有很好的空间相干性。 1 2 激光打孔的优点 随着航空航天、电子、仪表及医疗器械等工业的发展，许多高精尖产品的关键零 部件( 如飞机防冰系统、航空发动机气冷式叶片、陀螺仪表零件、计算机打印头等) 都 设计有许多微孔，以完成特定功能，从而提高产品的性能。在机械加工中孔加工是所 占比例较大的一道重要的加工工序。这些孔的特点是：尺寸微小，数量巨大，费工费 时，加工精度要求高，形状复杂，加工难度大【3 j 。 虽然目前已发展了大约有5 0 余种微小深孔的加工方法，其中最常用的小孔加工方 法有：机械加工、电火花加工、电解加工、超声加工、电子束加工及激光加工等。由 于硬度大、熔点高的材料的使用越来越多，传统的加工方法己不能满足某些工艺要求。 所以激光打孔也成为适应时代需要的一种技术。与传统的机械加工方法相比，激光打 孔具有如下的优点【4j ： 1 激光打孔速度快，效率高，经济效益好。 由于激光打孔是用功率密度为1 0 7 1 0 9 w c m 2 的高能激光束对材料进行瞬时作用， 作用时间只有1 0 - 3 1 0 。s ，因此激光打孔速度非常快。将高效能激光器与高精度的机 床系统配合，通过微处理机进行程序控制，可以实现高效率打孔。在相同的工件上激 光打孔与电火花打孔及机械钻孔相比，效率提高1 0 1 0 0 0 倍。 2 激光打孔可在硬、脆、软等各类材料上进行。 激光打孔不受材料的硬度、刚性、强度和脆性等机械性能限制，用高能量密度的 热能进行加工，几乎能在所有的材料上打孔。它既适于金属材料，也适于一般难以加 工的非金属材料。 3 激光打孔无工具损耗。 激光打孔是非接触加工，降低了机械加工惯性和机械变形，不存在工具损耗及机 械钴微孔时易断钻头等问题，对工件几乎无作用力。所以能在易变形的工件上打孔， 且易实现自动化连续操作。 4 激光打孔可获得大的深径比。 ， 激光能聚焦成极细的光束，聚焦直径可至o 3 m m ，能加工细而深的小孔。激光加工 过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光照射部位没有 影响或影响极小。因此，其热影响区小，工件热变形小，后续加工量小。在小孔加工 中，深径比是衡量小孔加工难度的一项重要指标。 4 第一章绪论 5 适合于数量多、高密度的群孔加工。 由于激光束易于导向、聚集、实现作各方向变换，极易与数控系统配合，对复杂 工件进行加工，因此是一种极为灵活的加工方法。激光打孔机可以和自动控制系统及 微机配合，加工方便。 6 可在难加工的斜面上打斜孔、异型孔。 激光打孔时，由于激光可以在空中传输，即使孔的斜度很大，也能轻易成孔。倾 斜面上的小孔加工的主要问题是钻头入钻困难，钻头切削刃在倾斜平面上单刃切削， 两边受力不均，产生打滑难以入钻，甚至产生钻头折断。而激光却特别适合于加工与 工件表面成6 。9 0 。角的小孔，即使是在难加工材料上打斜孔也不例外。 另外，由于激光打孔过程与工件不接触，因此加工出来的工件清洁，无污染。因 为这种打孔是一种蒸发型的、非接触的加工过程，它消除了常规热丝穿孔和机械穿孔 带来的残渣，因而十分卫生。 表卜1 为激光打孔与传统打孔各自的优缺点。 表卜l 激光打孔与传统打孔各自的优缺点 打孔类型打孔直径打孔速度 打孔材料打孔厚度孔深比 几乎任何 激光打孔 a u m 快 2 0 衄2 0 0 材料 机械打孔 3 0 u m 慢非硬材料 3 5 非延展性 冲压打孔 3 0 3 0 0 叫 快低 材料 0 0 1 2 0 1 8 电化学法 4 0 0 u m 导电材料 高 s e c 电火花 4 0 0 u m 薄材料 电子束 5 0 u m 快要求真空 2 m m1 0 由此可见，激光是一种高质、高效打孔的有效工具，发展前景很好。 1 3 激光打孔技术国内外发展及应用现状 1 3 1 激光打孔技术国内外发展现状 激光打孔技术具有精度高、通用性强、效率高、成本低及综合技术经济效益显著， 已成为现代制造领域的关键技术之一。目前，国外激光打孔主要应用在航空航天、汽 车制造、电子仪表、化工等行业。瑞士某公司利用固体激光器给飞机涡轮叶片进行打 孔，可以加工直径从2 0 啪到8 0 u m 的微孔，其直径与深度之比可达1 ：8 0 。激光束还可 以在脆性材料如陶瓷上加工各种微小的异型孔，这是普通机械加工无法做到的。 激光打孔已有四十多年的发展历史。早在1 9 6 0 年世界上第一台红宝石激光器问世， 第一章绪论 1 9 6 2 年就率先应用于对刀片的打孔，开创了激光打孔应用的先例，也开创了激光加工 技术应用的先例。 1 9 7 0 年左右，国内几家大的手表厂，使用红宝石激光器和钕玻璃激光器对手表宝 石轴承进行打孔。长春光机学院于1 9 8 6 年完成无烟水松纸高速打孔机柴油机喷油咀的 打孔、啤酒厂用不锈钢滤片的打孔( 深2 咖，孔o 2 咖) 。吉林工大上世纪8 0 年代末 研制出的超声波激光脉冲打孔，北京6 2 5 所用脉冲c 0 。激光器对叶片打孔。1 9 9 3 年我 国的科研人员用激光在8 哪厚的硬质合金上打出孔径为0 。0 1 0 。6 m m 的深微孔；而在 多种非金属材料上如人造钻石、陶瓷、玻璃、人类牙齿上打孔也相当的成功，孔径可 以小到o 0 3 咖，最小孔径可达到6 u m ，深度d 1 0 衄，而且孔的圆度也较理想。 随着科学技术的飞跃发展，在机械加工领域中，带有小孔的零件越来越多，并且对 孔的精度和尺寸要求越来越高，孔径越来越小。同时，工件的材料多种多样，既有金 属也有非金属，还有许多难加工的材料。 上世纪8 0 年代的中、后期，以美国、德国为代表的工业发达的国家已将激光加工 深微孔技术大规模的应用到飞机制造业等行业。例如，1 9 8 4 年美国一家发动机制造厂 利用激光打孔设备对涡轮发动机零件进行数万个冷却孔加工：1 9 8 2 年国外的某公司在 透平压缩机燃料室衬砌里加工的直径为1 1 7 1 2 5 咖的小孔9 0 0 0 多个，且大多数孔 与工件表面成2 5 。角，燃料室衬砌是由2 3 6 姗厚的长方形耐高温的镍基合金块组成， 加工难度大【5 l 。1 9 8 5 年英国的一家公司用高功率的激光束精确可控的加工小孔，在o 0 5 英寸厚的不锈钢和钛板上加工出孔径为o 。0 2 5 英寸的小孔3 5 万个；1 9 8 6 年原苏联基辅 工学院用工业激光器在硬质合金毛坯上打中心孔，孔径为o 6 1 0 咖，深度为6 衄。 上世纪9 0 年代开始采用声光调q 脉冲m ：拗g 激光器产生高峰值功率、窄脉宽、 高频率的激光打孔，由于光束质量好，工件打孔重复性好，已广泛的应用于各种机械 加工领域之中。美国休斯公司相干公司、格鲁门公司、美国的曰d c 公司、日本的产业 株式会社等均推出5 3 0 - 厂的激光打孔机产品。丹麦一家公司研究出高速打孔技术，在 3 m m 厚的不锈钢材料上以6 5 孔秒的速度打孔，而在l 衄厚的不锈钢上以1 0 0 孔秒的 速度打出高质量的孔，以这样超级打孔的速度在1 小时内可加工出以往需要5 天才能 打出的同样数量的孔。日本在厚l 衄的氮化硅板上打出孔径0 2 咖的孔，在0 0 5 唧的 陶瓷薄膜上加工出孔径0 0 2 姗的孔；而在钛、白金、钨、钼等难加工的材料上也进行 了有效的激光加工。 随着激光打孔技术的不断深入，激光器输出参数及激光器的种类、激光加工机的 类型都有了长足的发展。激光器输出功率逐渐提高，脉冲宽度越来越窄，重复频率范 围越来越宽，其他参数也越来越朝着有利于打孔的方向发展。导光系统和激光打孔机 的控制部分的柔性不断提高，使得打孔范围不断扩大。目前国内已形成商品的激光打 孔机有几十种，除了大专院校和科研院所之外，专门经营制造激光设备的公司也逐渐 6 第一章绪论 增多。国内外激光加工机生产技术日趋完善，激光打孔朝着多样化、高速度、孔径更 微小的方向发展。 1 3 2 激光打孔应用现状 1 群孔激光打孔 群孔激光打孔集中地表现了激光打孔的高速度、高效率、非平面打孔、定位准确、 易于实现自动化等优点。激光群孔加工主要用于飞机、汽车、电器、制药、化工、化 纤、食品、医学、制衣等行业。 目前，工业先进国家的航空产品生产线上都配有相当数量的多坐标激光打孔机， 因为它具有良好的柔性，故常作为c i m s ( 计算机集成制造系统) 的一个单元。 美国通用电器公司研制了一台计算机控制的激光打孔机。使用y a g 激光器和数控 多坐标定位工作台，打孔速度为2 0 3 0 孔s 。能对打出的孔进行联机尺寸检测，并能 实现自适应控制( 即自动调整激光能量、离焦量等激光参数) 。能在气体或涡轮叶片喷 嘴外罩和燃烧室打出直径为0 1 2 7 1 2 7 m ，深度为1 5 2 4 砌的小孔。国际商用机器 公司( i b m ) 用计算机控制的c 0 ：激光器加工2 0 层印刷电路板。输出激光分成4 束，每 束激光峰值功率为3 0 w ，脉冲宽度为1 m s ，两个脉冲打出一个孔。美国t r s 公司使用 的激光加工系统，有一特殊的谐振腔可以降低激光器的发散角，以使精确可控地加工 小孔。主要加工飞机防冰板上的群孔，孔径为0 0 6 彻，每块板有3 5 0 0 0 个孔( 防冰板 尺寸为：1 8 m 0 1 5 m ) 。美国伯罗兹公司的电子元件分公司在制造一种自动扫描荧光 屏时，利用激光在此屏幕的厚度为7 6 2 u m 的金属阴极上精确地打出了直径为5 0 8 u m 的1 6 0 0 0 多个孔。 2 在金属材料上打孔 用钕玻璃激光打孔技术加工柴油机喷油嘴，与电火花加工相比效率提高了1 4 倍， 工人减少了一半，单件加工成本下降4 0 ，喷油嘴孔壁粗糙度小，其出入口均形成圆角， 大大提高了使用性能。生产化学纤维用的喷丝板是用硬质合金制成，要求在1 0 0 彻直 径内打出1 2 0 0 0 个直径为6 0 u m 的微孔。用机械钻孔需要4 5 个熟练工加工一周；现在 用激光加工只要2 h 即可完成。利用2 5 0 0 w c 0 ：激光机进行多种类型的筛板加工；例如在 直径1 1 3 m m 的不锈钢上打出直径为0 5 i i l 【n 孔1 0 0 0 0 个，作为制药过滤板。 3 在非金属材料上打孔 用红宝石激光器在金刚石拉丝模上打孔不仅效率高，而且锥形比较平滑，前后方 的锥形同心度好。氧化铝、碳化硅、氧化硅等各类陶瓷均可应用激光打孔。在陶瓷上 打孔，用超声打孔深径比为4 ：l ，而用激光打孔已达到2 0 ：1 。美国西方电器公司使 用2 5 0 w 功率的c 0 ：激光打孔机，以3 6 m m s 的进给速度，每秒钟可以打孔2 个，在陶瓷 上连续打9 2 0 个孔仅用8m i l l 。美国达乌化学公司使用功率为2 5 0 w 脉冲宽度为5 1 5 m s 第一章绪论 的c 0 。激光器，在聚氯乙烯塑料制成的灌溉用管上打孔，孔径为0 5 衄，年产3 亿米。 聚碳酸酯制造的血液处理装置的调节孔是直径为0 2 3 衄的小孔，并要求孔内部无毛刺。 采用1 0 0 w 的c 0 。激光打孔，每分钟可打4 8 0 个，而且质量高。c 0 ：激光器非常适合于橡 胶打孔。美国目前已有每分钟打1 0 0 0 0 个孔的快速激光打孔机，可用于橡胶阀门衬垫 绝缘材料等小孔加工。用c 0 。激光器在香烟过滤嘴的两侧打两排小孔，以降低香烟中的 有害物质。一台激光器输出的光束经过分束器被分成4 0 路光，经4 0 个聚焦镜可在香 烟过滤芯纸上同时进行4 0 列开孔。 1 4 本论文研究的内容 激光打孔是利用脉冲激光所提供的1 0 6 1 0 8 w c m 2 的高功率密度以及优良的空间相 干性，使工件被照射部位的材料汽化蒸发，进行金属等硬质材料的打孔。在打孔的过 程中，激光和工件相互作用，存在着许多不同的能量转换过程，包括反射、吸收、汽 化、再辐射和热扩散等，它是由激光光束特性：激光的波长，脉冲宽度，聚焦状态等 和物质诸多的物理特性决定的，因此，影响激光打孔的因素很多。为了获得高质量的 孔，应根据激光打孔的一般原理和特点，对影响激光打孔的主要参数进行分析，找出 激光打孔最佳的加工参数。鉴于以上因素本文的主要研究内容为： 1 本文结合激光与物质相互作用的机理，系统的论证了激光打孔的基本原理。利 用有限元法，分析并解决了建立碳钢激光打微孔中热源模型的难题：非稳态问题、非 线性问题及相变问题。利用有限元分析软件a n s y s 对碳钢激光打微孔过程的温度场进 行模拟分析，得出不同时刻及不同能量时其温度场分布情况。 2 选取含碳量不同的三种材料：不锈钢、5 0 # 钢和t 8 钢，进行碳钢激光打微孔实 验。用y a g 激光器来进行实验，并用2 5 d 影像测量仪来读取数据，把模拟值与实验值 进行了比较，为碳钢激光打微孔实验参数的选取提供了依据。 3 在实验的基础上对激光打孔的工艺进行了分析和研究，得出了激光打孔中的参 数：脉冲能量、脉冲数量、脉冲宽度、离焦量、脉冲重复频率，对碳钢激光打微孔质 量的影响情况以及这种影响情况随着含碳量不同的变化。以碳钢为主要打孔材料，研 究输出能量、激光重复频率变化、离焦量、辅助气体、脉冲宽度、脉冲数目等对打微 孔工艺的影响。 4 工艺参数分析，总结碳钢激光打微孔作用机理并优化工艺参数。 第二章碳钢激光打微孔温度场分析 第二章碳钢激光打微孔温度场数值模拟 目前对激光打孔的结果，大多是采用加工后的测量评价，或是根据经验对加工工 艺参数进行选择，缺乏科学的依据。国内有学者曾提出用有限差分法对激光打孔形状 进行数值解算，本文要基于算法更优的有限元法，建立一种根据激光打孔的加工条件 预测加工结果的方法，用大型有限元分析软件a n s y s 模拟激光打孔温度场，从而实现 对激光打孔质量的控制。 本文从有限元的基本理论入手，建立了激光打孔温度场的数学模型，确立相应的 边界条件和初始化条件，对激光打孔过程进行仿真，且对数值解析的结果与实验加工 的结果进行了比较。 2 1 激光加工的原理及打孔的物理过程 激光加工的前提是激光为被加工材料所吸收并转化为热能。在不同的功率密度等 条件下，材料表面区域发生各种不同的变化。这种变化包括温度升高、熔化、汽化、 形成小孔和等离子体云等f7 j 。材料表面区域物理状态的变化反过来又极大地影响材料 对激光的吸收。因而有必要讨论各种物理状态下的材料与激光的相互作用。材料在激 光作用下的不同状态如图2 1 所示。 abcd 图2 1 材料在激光作用下的不i 司状态 a 固态加热；b 表层熔化；c 表层熔化，形成增强吸收等离子体云； d 形成小孔及阻隔激光的等离子体云。 激光功率密度较低( 对钢铁材料，c o 。激光，功率密度i 1 0 4 w c m 2 ) 、辐照时间较短 时，被辐照材料由表及里温度升高，但维持固相不变。随着激光功率密度的提高和辐 照时间的加长( 对钢铁，1 0 4 w c m i r 其中兮【o ，1 】为算法参数。由此导出的积分格式为： ( 古c + 觚户+ 出= ( 古c c 一p ，k 产+ c - 一日比+ a r 舢 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 由t = 0 时刻已知的瓦，用上式算出瓦，然后由咒求得互& + 加) ，如此类推，求得温 度随时间的变化历程。对算法进行稳定性分析，对于线性热传导问题，式( 2 1 3 ) 稳 定极限如下 垃。= 2 ( 1 2 p ) p ，。 其中肛一为下式的最大特征值 ( k 一c ) 丁= 0 ( 2 一1 4 ) ( 2 1 5 ) 为了保证计算结果的精度和计算的稳定性，本文取9 ：2 3 ，即g a l e r k i n 格式： 筘h 孔2 吉盱轧， 根据式( 2 1 6 ) ，得出在f 时刻和f 一出时刻温度场有限元计算公式为： k p ) ，“归r a f l = p ) f k 弦) f 一址+ 怕丁击l 一址= p ) f 一址 整理后得出： ( 2 k 】+ 丢【】) p ) f = ( 2 p ) f + 慨一出) + ( 丢【】k b 仁) f 一出 ( 2 一1 6 ) ( 2 一1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 式中： 一温度场刚度矩阵， 一非稳态变温矩阵，p l f 时刻的载荷列向量， p ) ，一一f 一f 时刻的载荷列向量，p l ，血为初始温度场或前一时刻温度场，妒) f t 时 刻温度场。 第二章碳钢激光打微孔温度场分析 在激光打孔过程中，激光束作用在物体表面。由于激光具有极高的能量，会使物 质瞬间发生相变( 固态升华成气态) ，所以在每一时刻，激光束作用的物体表面都是不 断变化的( 相变界面是移动的) ，结合式( 2 一1 8 ) 可知护) ，p ，所以激光打孔的 传热过程是一个边界条件随时间不断变化的过程。在计算过程采用固定的空间步长和 可变的时间步长，使每经一个时间步长都能保证两相界面正好移动一个固定的空间步 长的距离。这种可变的时间步长需随时迭代计算确定。 2 3 3 非线性问题的处理 工程应用中所遇到的很多的热传导问题，本质上都是非线性的，激光打孔的过程 就是一个非线性热传导的过程。 当温度变化很大或材料的物性参数随温度的变化剧烈时，要正确描述热传导问题， 必须考虑热传导参数( 热容、热传导率) 随温度的变化。无论是热传导方程为非线性， 或是边界条件为非线性的，或者两者兼而有之，都使热传导问题成为非线性问题。 材料参数为温度的函数，表述为： p = p ( 丁) ，c j p = c p ( 丁) ，a = a ( 丁) ( 2 2 0 ) 工程材料的密度( p ) 和热容( c ，) 随温度变化幅度比较小，求解问题时只考虑 热传导率随温度变化的情况。辐射边界条件的单位面积上的热流率表述为 g = 伲( r 4 一疋4 ) ( 2 2 1 ) 式中，r 、疋、仃、分别为物体表面温度、环境温度、斯忒玻兹曼常数、物体 表面热放射系数。 非线性非稳态热传导问题的有限元离散方程表述为下述的非线性常微分方程组 c ( 丁) 丁+ k ( 丁) r = r 非线性稳态热传导问题的有限元方程为 k ( 丁) 丁= 尺 式中 c 盯= l ，p ( ，) c p ( 丁) ；，m ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 第二章碳钢激光打微孔温度场分析 k ( ，) = k i + k 2 + 玛 墨盯= l ， 丸c d 警警+ 以c 乃等等+ 加，警誓卜 k ：= l 。肌7 膦 k = l s ! dr n i n j d s 利用逐步积分法可将式( 2 2 2 ) 在一个时间步内的表达式化为式( 2 2 3 ) 形式的非线 性方程组，问题归结为求解非线性方程组，本文采用的算法是n e w t o n r a p h s o n 方法。 一般，非线性问题有限元离散化的结果将得到下列形式的代数方程组。 k ( “如= f 或y ) = p ) 一f = k ) “一f = o ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 该方程的具体形式通常取决于问题的性质和离散的方法。上式参数u 代表未知函 数的近似解。 在以位移为未知量的有限元分析中，它是节点位移向量。对于非线性方程组，由 于k 依赖于未知量u ，因而不可能直接求解。一般采用迭代算法。 一般说来，n e w t o n r a p h s o n 方法求解过程有良好的收敛性。 2 。3 4 相变热传导问题分析的有限元法 非线性传热分析中的另外一个重要问题就是相变问题，该问题与热分析中的凝固、 融化等问题相关。激光打孔过程就是一个伴有相变的热传导过程。 相变问题实际上是一种非线性瞬态热分析1 2 1 | 。其特点是区域内存在一个随时间移 动的两相界面，而相变非线性分析则是计算过程中要考虑相变过程中界面上吸收或释 放的潜热，因而这是一个移动界面问题。 由于相变的存在，计算相变导热问题最直接的方法是把区域v 分成两部分，即固 相区域k 和液相区域以，中间由相变界面隔开，在相变分析中，这个面的位置常用s ( f ) 表示，表示随时间的变化而改变。两个部分有各自的温度场和物性参数，对域v 。有 瓦，p s ，k 。，等，在v 。域有互，晚，k 。，a 。等，如图2 5 所示。 1 9 第二章碳钢激光打微孔温度场分析 图2 5 纯物质相变模型 两个区域的热传导控制方程可以表示为： 即，鲁玎眠v 驴虻在珞内 即l 降v v 瓦一妒聃北在吃内 x ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 其中下标s 表示固相，三表示液相。v 。表示液相速度矢量，级、q 表示热源 相。 对于外边界条件的描述与常规热传导边界条件的描述是一致的，即在区域v 。和v 。 的外边界上施加三种热传导边界条件。对于初始条件的描述也是如此，即 瓦i 忙。= b 。，疋i 忙。= 瓦。 相变问题与其他分析问题的不同之处是存在相界面，两个区域的温度在相变界面s ( t ) 上发生耦合，即在相界面上首先要满足温度连续条件，即 乙= 五( s ( 吐f ) = 互( s ( f ) ，f ) ， ( 2 2 8 ) 同时还要考虑潜热的作用，此时应当在相界面上满足能量守恒条件，就是： 吼一纵2 ， ( 2 2 9 ) 其中g 。= 一吒等，g s = 一k 警 n 为相变界面的法向。r 为相变潜热。 由于相界面在新的空间中的位置是固定的，因此对有限元分析就比较方便了。为 了避免相变界面的跟踪，提出一种用于相变分析的焓法模型，参见图2 6 ，当固液两相 的比热分别是常数时，温度与焓有以下关系。 2 0 第二章碳钢激光打微孔温度场分析 f五q ，五 q l + 三 其中 s + ，吮+ 分别为固相与液相的饱和焓。 令乃：+ = c ；乙，吃+ = 气乙+ ， 在不考虑对流热源情况下的焓法模型控制方程的形式为 p 警再( 咖 其中，p = 2 霓= 乏，妻三竺三： 采用焓法模型的优点是：由于温度随时间的变化在相变界面上是间断的，而焓随 时间的变化曲线则是连续的，因此用焓法模型在数值求解焓分布时不需要跟踪相变界 面，而是将液相区和固相区统一进行分析。由于温度与焓值的关系己经确立，所以求 得焓值后，温度场自然获得。 2 4 碳钢激光打微孔温度场模拟 a n s y s 是集结构、热、流体、电磁、声学于一体的以有限元分析为基础的大型通用 c a e 软件，广泛应用于机械制造、航空航天、电子、土木工程、水利、石油化工、轻工 等众多的工业领域，能够解决各种稳态、瞬态、线性和非线性热传导问题，能适用复 杂形状结构和各种材料及边界条件，同时a n s y s 提供专门参数化设计语言a p d l ，可方 便地进行二次开发。本章结合激光打孔的实际过程，对激光打孔过程的温度场进行分 析，通过材料温度场的分布情况，可事先对小孔质量进行控制，选择最优的打孔参数， 2 l 第二章碳钢激光打微孔温度场分析 保证打孔质量，减少试验成本。 2 4 1a n s y s 软件介绍 a n s y s 软件是由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 公司开发，它 具有与p r o e n g i n e e r 、n a s t r a n 、a 1 0 9 0 、i d e a s 、a u t o c a d 等多数c a d 软件的数据接 口，实现数据共享和交换，是现代产品设计中的高级c a e 工具之一1 2 2 | 。 1 a n s y s 的特点 a n s y s 的基本特点可以概括为：强大的前处理能力、强大的加载求解能力和强大的 后处理能力、良好的开放性。 ( 1 ) 强大的前处理能力 主要包括强大的几何建模能力、强大的网格划分能力、强大的参数设置能力和与 c a d 软件的无缝集成能力。 ( 2 ) 强大的加载求解能力 在a n s y s 中，包括位移、力、温度等任何载荷均可以直接施加在几何实体或者有 限元实体上，载荷可以是具体数值，也可以是与时间或者坐标有关的任意函数。 ( 3 ) 强大的后处理能力 利用a n s y s 可以获得任何节点单元的数据。这些数据具有列表输出图形显示动画 模拟等多种数据输出形式。此外时间历程分析功能可以对载荷叠加进行分析计算。 ( 4 ) 良好的开放性 这个开放性的环境允许用户自定义单元属性、用户自定义材料结构、用户自定义 流场边界条件、用户自定义机构断裂判据和裂纹扩展规律等。 2 a n s y s 的基本组成 a n s y s 主要包括3 个部分：前处理模块分析模块和后处理模块。 ( 1 ) 前处理模块：提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构 造有限元模型。软件提供了1 0 0 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材 料。 ( 2 ) 分析计算模块：包括结构分析( 可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析) 流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模 拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。 ( 3 ) 后处理模块包括两个部分，通用后处理模块和时间后处理模块。 通用后处理模块可以很容易获得求解过程的计算结果并对其进行显示。这些结果 可能包括位移、温度、应力应变、速度及热流等。这个模块对前面的分析结果能以图 形形式显示和输出。 时间后处理模块用于检查在一个时间段或子步历程中的结果，这些结果能通过绘 第二章碳钢激光打微孔温度场分析 制曲线或列表查看。 242 碳钢激光打微孔求解仿真 1 实验用材料的化学含量”： 表21 不锈钢l c r l 8 k j 9 t i 化学成分表( ) ( ( - 盯2 2 0 9 2 0 1 220 0) j ，r | o0 3 io0 3 5 l80 1 l l 1 7 0 0 1 9o o oo 表z 一2i 0 # 铜化学成分( ) ( g b 6 9 9 8 8 ) 表2 3t 8 化学成分表( ) ( 6 b 仃1 2 9 8 1 9 8 6 2 有限元模型的建立。 按照有限元分析问题的步骤及a n s y s 分析软件的要求建立模型如图所示。由于激 光打孔热影响区非常小，为了达到求解的精度，因而在划分网格时，要求单元尺寸为 光斑太小的l 4 l 向。为了变于单元杀死后，经重启动分析定加载节点的操作，采用 映射网格划分技术，单元形状为四边形，单元类型为p l a x e 撕。有限元单元模型图如图 2 7 所示。 丌 3 激光热源的处理与施加 固2 7 有限元单元模型目 第二章碳钢激光打微孔温度场分析 激光打孔的热流密度分布近似于高斯函数分布，在加载时按照给定的激光打孔参 数计算按高斯函数计算出在光斑范围内的各节点的热流密度，然后以线载荷的形式直 接加载在