纳秒激光修复材料表面划痕仿真与实验研究

作     者：唐俊杰 

作者单位：哈尔滨商业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘壮

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：激光修复 304不锈钢 丙烯酸聚氨酯 数值模拟 热流耦合 

摘      要：在生产生活中,材料表面由于外部环境以及人为操作的因素会产生划痕、微裂纹等类型的缺陷,此类缺陷不仅影响美观,更会使一些重要的零部件面临失效的风险,因此,对材料表面缺陷进行修复研究具有重要的意义。本文基于激光再制造技术,研究纳秒激光对金属材料(304不锈钢)以及高分子材料(丙烯酸聚氨酯)的表面缺陷修复作用。首先,建立了纳秒激光与材料作用的有限元模型,忽略加工过程中产生的气化、熔化、受热变形以及表面发生的化学变化,模拟了不同能量下材料峰值温度与气相线、液相线的关系,得出可以使材料产生相变的激光能量;模拟了脉宽在10ns、50ns、100ns下温度的变化情况,发现脉宽对激光能量的影响较小;由于相变后形成熔池的深度决定能否达到修复的目的,因此对不同能量下熔池的熔深与熔宽进行了数值模拟。其次,分析了连续脉冲下激光重复频率对材料温度的影响,随着频率的提高,单个脉冲的能量减小,但产生的热积累效应增强;对不同扫描速度下材料温度变化进行了模拟,其内部产生的热影响区大小与扫描速度呈负相关,并且最终会达到热平衡的状态;通过研究扫描速度、扫描间距与光斑搭接率的关系,得出了不同搭接率下熔池的熔深;对模型进行了热流耦合,分析了熔池的形成以及流场的分布对材料表面形貌的影响,研究了不同的扫描速度下熔池的流动规律,得出熔池内材料流速对熔池尺寸有一定的扩大作用,对比了仅考虑热效应与热流耦合后材料内部的温度变化,耦合后一部分热量转化为熔融材料的动能,导致耦合场的温度略低。最后,使用纳秒激光器对304不锈钢、丙烯酸聚氨酯进行了修复实验,并以修复后的表面形貌来表征修复的质量,通过进行正交实验得出了较佳的工艺参数组合,验证了纳秒激光修复不同材料缺陷的可能性。在激光能量为22.4J/cm2,扫描速度8m/s,纵向搭接率为70%的参数下修复后的304不锈钢表面形貌较好,材料表面轮廓波峰与波谷的差值为200nm,远小于初始的2um,而丙烯酸聚氨酯在激光能量2.18J/cm2,横向搭接率50%,纵向搭接率为80%的参数下修复质量较佳,另外,对修复后材料表面产生各类缺陷的原因进行了分析。通过对比两种材料的修复效果,得出使用纳秒激光修复缺陷的方法更适用于液相线与气相线相差大的材料。