脉冲激光表面微造型的数值模拟与实验研究

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近年来,随着对物体表面,特别是对重要摩擦副表面性能的要求越来越高,表面微造型技术以其优异改善摩擦性能的特点得以快速发展。在表面微造型技术发展过程中,激光表面微造型技术(LST)由于其良好的操控性,被认为是能较好的实现规则凹凸非光滑表面的表面微细加工技术,非常适合用于摩擦副工作表面的微观造型。因此,根据摩擦副表面的润滑抗磨性能要求,优化设计并加工出与之匹配的激光微细造型微观几何形貌的理想表面具有其非常重要的意义。本文对微造型表面形貌加工参数及加工质量优化进行了深入研究,达到了根据设计要求正确加工出形貌几何形状的目的。首先研究了激光与材料相互作用的物理原理及建立了脉冲激光烧蚀靶材的数学模型。其次对激光微造型进行了数值模拟与分析,采用有限元分析软件ANSYS对激光微造型中的烧蚀温度场和弹坑进行数值模拟,计算模型在能量平衡方程的基础上,将入射脉冲激光在空间和时间上以高斯分布考虑,模拟出激光微造型中靶材的温度场分布,预测了激光微细造型所得表面形貌的几何特征。详细分析了激光功率密度、脉冲个数、激光脉宽、波长、材料等对烧蚀弹坑表面形貌的影响和变化规律,得到了一定条件下材料与脉冲激光作用的最佳光强,纳秒激光微加工最佳脉宽等结论。并且,还进一步分析了工件的热应力及残余应力,预测了加工参数对热应力及残余应力的影响趋势,这一研究结果可用于实际加工指导。最后进行了实验对比,进行的二组实验分别为脉宽及脉冲个数对脉冲激光微造型三维形貌的影响。结果与数值模拟相比较,趋势相同,结果相似,从而肯定了数值模拟这一工作的可行性及可靠性。
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