高能量短脉冲激光水下打孔的动力学研究

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随着科技的发展以及工业的需求,使得人们对加工精度和加工效率日趋看重,激光加工技术便逐渐走上了历史舞台。由于激光加工过程牵涉到很多的学科领域,现象极其复杂,以至于人们对其间的相互作用规律和物理现象的认识,还了解的不是十分透彻。为了加深对激光打孔物理过程认识和掌握,在前人研究的基础上,本文对激光打孔初始阶段开展了基础性的研究工作:  由于激光加工过程的复杂性,不可能把每个影响因素都考虑在内,所以本文提出了几点假设,简化了物理模型。在考虑材料的相变潜热以及固液界面对流辐射的情况下,建立了三维瞬态有限元模型,并编写了相应的高斯热源UDF程序,模拟了空气和液态环境下激光加工靶材的热效应。本文使用流体分析软件Flue nt,对激光加工材料过程中固液界面的温度场、流场以及压力场进行了理论分析研究。发现:(1)在表面温度迅速升高的同时,材料也将吸收的能量慢慢地向材料内部传递,但是其传递速度也随着传递距离的增加而逐渐降低。由于蒸发潜热的存在,熔化的材料达到了蒸发温度后就不再升高,会使靶材表面的温度暂时处于平稳的状态。在不足50us的时间内,激光束的能量就已经穿透了厚度为300um的铝靶材,到达了靶材底部。此外,在相同的时间内,较高的激光功率密度表现出了相对较高的穿透力和较深的熔化深度。(2)对比了空气环境与液体环境下激光加工的热效应,并且分析了固液界面的流场、温度场以及压力场的变化情况。发现由于水的强冷却作用,在三种激光功率密度作用下,在最初的1us内其温升率比空气中分别下降了39.6%,39.4%和38.8%。在初始阶段由于熔化材料的粘性的影响,使贴近靶材的流体速度要小于光斑周围的以及距离靶材表面更远的流体的速度。
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