碳钢激光打微孔质量控制技术研究
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摘要
利用激光在金属材料上进行加工孔的技术有着突出的特点,如加工精度比较高、加工效率比较高、加工成本相对比较低的综合技术,在激光应用方面,它是最先在生产实际中应用的技术,也是利用激光进行生产加工的主要技术领域。随着近代工业和科学技术的迅速发展,使用硬度大、熔点高的材料越来越多,而传统的加工方法已不能满足某些工艺要求。
     本文针对激光加工领域中激光打微小孔时存在的不足,结合激光打孔的实际情况,以及激光与被加工材料之间相互作用的关系,研究分析激光光束能量作用于被加工金属材料上的过程,构建激光在金属材料上进行孔加工的温度场数学模型,编写分析程序,并嵌入到ANSYS有限元分析软件的后处理程序中,利用该软件对被加工材料碳钢的激光打微孔过程中的温度场变化进行了仿真分析,为优化激光打孔工艺参数提供了理论依据。
     在理论分析的基础上,利用数控YAG激光多功能加工机以碳钢为主进行了实验分析,选用不同厚度、不同材料进行激光打孔试验,系统分析了激光功率、激光脉冲宽度、激光重复频率、辅助气体、离焦量等对小孔的上、下孔径及锥度的影响,比较并分析了模拟值和试验值,验证了有限元法仿真分析的可行性,提出了YAG激光在碳钢上打微孔时各项工艺参数的选择方法。
     采用双因素无重复的试验方法和无交互作用的正交试验方法分析了激光功率、激光脉冲宽度、激光重复频率对激光打孔质量的影响程度,其分析结果与计算机模拟仿真结果和试验数据分析结果相吻合,结果表明理论分析研究是正确的,分析研究了重铸层形成机理,以及不同含碳量在激光加工时重铸层的厚度变化,不同激光参数对重铸层厚度的影响,和含碳量和激光频率对加工孔表面精度的影响。
Laser drilling technology is one of the earliest technologies to be utilized in the practical laser processing, and it is also one of the main processing applications using laser. It is a comprehensive technology which has many advantages, such as the high accuracy, the good commonality and the high cost-effectiveness. With the rapid development of modern industry and science and technology, more and more high hardness and high melting point materials have been used. Thus, the traditional processing methods cannot meet certain technical requirements any more.
     On the basis of the characteristics of laser and interaction mechanism of the laser and the processing material, this paper aims for the actual use of the technology in processing. As the mathematical model of temperature field of laser drilling has been established, the analysis program was written on the basis of the model which will be embedded in the finite element analysis software ANSYS post-processing procedures, which was used in stimulating the laser drilling of carbon steel. It will prepare parameters for optimizing procedure.
     On the basis of theoretical analysis, a test was made in different thickness and different materials by using CNC YAG laser. The primary test material was carbon steel. The researcher analyzed the influence on bore diameter and conical degree by laser power, pulse width, impulse frequency, focused diameter of the beam, and the assistant gas and so on. The researcher also compared the simulation value and test value, proved the feasibility of simulation, and presented the selection method of procedure parameters in laser drilling. The experimental methods of the double factors without repeating and the orthogonal without interaction are adopted to analyze how much the laser drilling quality would be affected by laser power, impulse width, and impulse frequency. It is turned out that the theoretical analysis matched with the computer simulation.
引文
[1]郭文渊,王茂才,张晓兵,镍基超合金激光打孔再铸层及其控制研究进展[J].激光杂志,2003,4.
    [2]洪蕾,吴钢.激光制造技术基础[M].人民交通出版社.2008.2.
    [3]关振中.激光加工工艺手册[M].北京:中国计量出版社出版,1998,6.
    [4]徐庆仁.激光加工技术的地位,现状和发展趋势(上)[M].航空制造工程,1996.
    [5]Laser beams defense into the future [EB/OL]. http://www.unl.gov.2002-10-11.
    [6]左铁钏等.21世纪的先进制造:激光技术与工程[M].北京:科学出版社,2007.
    [7]D.Schuocker.Handbook of the Eurolaser Academy.Chapman&Hall,1998:534-536.
    [8]荣烈润.激光微细孔加工技术及其应用[J].机电一体化,2003,6.
    [9]王继跃等.先进激光加工技术[M].北京:机械工业出版社,1995.
    [10]余淑荣,樊丁.激光加工技术及发展现状[A].Proceedings of International Forum on Welding Technology in Energy Engineering [C],2005.
    [11]陈章.激光精密加工技术及其应用[J].新技术新工艺,2002,(08).
    [12]左铁钏,陈继民.激光制造技术的发展趋势[J].先进制造技术信息网,2004,10.
    [13]冷箭利.现代激光加工技术在金属加工领域的应用[J].电器工业,2007,(07).
    [14]LSarady.Th.Beck Drilling and cutting of superalloys with Q-switched and modulated Nd:YAG laser pulses.ICALEU 1995.
    [15]方建成,王续跃,邓琦林等.提高脉冲激光打孔质量的措施[J].工艺与检测,2002.9.
    [16]陈绮丽,黄诗君,张宏超.激光技术在材料加工中的应用现状与展望[J].机床与液压,2006.
    [17]李向东,王伟.提高激光打孔加工质量的途径[J].航空工程于维修,2000,4.
    [18]张罡,梁勇.A1203陶瓷激光打孔重铸层的研究[J].沈阳工业学院学报,2001,(2)
    [19]A.C:orcoran, L.Sexton, B.Seaman, P.Ryan. G.Byme The laser drilling of multi-layer aerospace material systems Journal of Materials Processing Technology 123(2002) 100-106.
    [20]D.LEIDINGDR, A.PENZ and D.SCHUOCKER, Improved manufacturing processes with high power lasers. Manufacturing processes with lasers(1994).
    [21]T.Kurita, T.Ono, N.Morita, Study on the relationship between laser processing sound and material removal characteristics. Journal of Materials Processing Technology 97(2000)168-173.
    [22]Doo-Sun Choi, S.H.Lee, B.S.Shin, Development of a direct metal free from fabrication technique using CO2 laser welding and milling technology. Journal of Materials Processing Technology 113(2001)273-279.
    [23]M.J.Jackson, W.O.Neill, Laser micro-drilling of tool steel using Nd:YAG lasers. Journal of Materials Processing Technology 142(2003)517-525.
    [24]Pablo Solana, Phiroze Kapadia, John Dowdenet al..Time dependent ablation and liquid ejection processes during the laser drilling of metals [J].Opt. Commun.,2001.
    [25]腾杰.激光加工的应用发展[J].第12届特种加工学术专辑.
    [26]S.J.Qin and Wenl.Li, Micromachining of complex channel systems in 3D quartz using Q-switched Nd:YAG laser 却 pl. Phys. A[J],74(2002) 6,773-777.
    [27]G.K.L.Ng, L.Li The elTect of laser peak power and pulse width on the hole geometry repeatability in laser percussion drilling Optics&Laser Technology 33 (2001)393-402.
    [28]张晓兵.激光加工涡轮叶片气膜孔的现状及发展趋势[J].激光应用,2002,4.
    [29]袁根福.激光加工技术的应用和发展现状[J].安徽建筑工业学院学报.2004,12(1)
    [30]米曾编著.小孔技工[M].北京:机械工业出版社,1992.
    [31]王东华.激光在机械制造领域中的应用及展望[J].现状·趋势·展望.2000,5.
    [32]李菁菁.碳钢激光打微孔作用机理及工艺研究[D].长春理工大学,2007,12.
    [33]朱林泉,朱苏磊编.激光应用技术基础[M].国防工业出版社.2004,8.
    [34][日]中井贞雄,熊缨译.激光工程原理与应用[M].科学出版社,2006.8.
    [35]B. Tan, K. Venkatkrishnan, N. R. Sivakumaret al..Laser drilling of thick material using femtosecond pulse with a focus of dual-frequency beam [J].Optics&Laser Technology,2003, 45:253-258.
    [36]A. A. Bugayev, M. C. Gupta, M. El-Bandrawy. Dynamics of laser hole drilling with nanosecond periodically pulsed laser [J]. Optics and Lasers in Engineering,2006,44:797-802.
    [37]郑启光.激光先进制造技术[M].华中科技大学出版社,2002.
    [38]郑启光,辜建辉.激光与物质相互作用[M].华中理工大学出版社,1996.
    [39]孙立华.陶瓷激光打孔技术研究[D].长春理工大学,2006,12.
    [40]V. V. Semak. Numerical prediction of drilling rates for ultra-high intensity laser pulses [C].SPIE, 2006,6107:610708-1.
    [41]陈苗海.中国激光加工产业现状和发展前景[J].激光与红外,2004,2.
    [42]官邦贵,刘颂豪等.激光精密加工技术应用现状及发展趋势[J].激光与红外,2010,3.
    [43]俞君, 曾智江,朱三根等.紫外激光在微细加工技术中的优势研究[J].红外,2008,29(6):9-14.
    [44]任立勇,陈武君,水金城.偏振态脉冲激光辐射的微孔加工[J].光电子.1999,10.
    [45]孙同坤、李伟等.金属表面涂层对C02激光的吸收率.中国科学院力学研究所.
    [46]刘杰、孙胜、管延锦.激光偏振特性在微尺度工件激光弯曲成形中的作用[J].西安交通大学学报,2009,7.
    [47]陈君、张群莉、姚建华等.金属材料的激光吸收率研究[J].应用光学,2008,9.
    [48]Ready J F. Effects of high power laser radiation. New York:Academic Press Inc,1971.
    [49]任旭东.金属板料的激光冲击能量吸收涂层技术研究[D].江苏大学,2006,5.
    [50]宫想.YAG激光打微孔若干质量控制因素与对策研究[D].长春理工大学,2012.06.
    [51]辛凤兰.高质量激光打孔技术的研究[D].北京工业大学,2006,5.
    [52]C.Dunsky. High-speed microvia formation with UV solid-steat lasers. Proceedings of the IEEE[J], 2002,90(10):1670-1680.
    [53]Cheng Zhaogu, Xu Guoliang, Zhao Quanzhong and Liu Cuiqing. Review on recent progress of laser precision mi-crofabrication in China[A].Proceedings of SPIE,2002:4426:1-8.
    [54]范月霞,赵学民,王晓东等,一种新型薄型非金属材料群孔加工系统的研究[J].华中科技大学激光加工国家工程中心.
    [55]谭险峰、杨俊华、耿艳青.脉冲宽度对激光打孔影响的试验研究[J].新技术新工艺,2011,3.
    [56]B. Yurke, W. Schleich, D. F. W alls. Quantum super positions generated by quantum non demo lit ion measurements. P hy s, R ev. A,1990,42 (3):1703-1711.
    [57]Shang Song, Carlton M, Caves, Bernard Yurke. Generation of super positions of classically olistinguishable quantum states from optical back-action evasion. P hy s.R ev. A,1990,41 (9): 5261-5264.
    [58]王广安,张玉珠,倪晓武等.离焦量对空气中纳秒激光打孔效率的影响[J].中国激光,2007,34(12).
    [59]陆建,倪晓武等·高功率激光与材料相互作用机理研究进展[J]·激光技术,1996,20(3):181-184·
    [60]宫磊Nd:YAG激光器激光打孔试验研究[D].长春理工大学,2007,12.
    [61]王志勇、陈铠、左铁钏等.辅助气体对激光打孔的影响[J].激光杂志,Vo1.21,No.6.2000.
    [62]K.Tara, GS. A garwal, S. Chaturvedi. Production of schrodinger macro scopic quantum superposition states in a Kerr medium. Phys.Rev.A,1993,47(6):5024-5029.
    [63]LU J, N IXW, HE A Zh. Recip rocity between laser and material physics [M]. Beijing: ChinaMachine Press,1996:18225 (in Chinese).
    [64]宋林森,史国权,李占国.激光打孔温度场的数值分析与仿真[J].工具技术,2006,40.
    [65]宋林森,史国权,李占国.ANSYS激光打孔温度场仿真中的应用[J].长春理工大学学报,2006,29(4).
    [66]王丹.碳钢激光打微孔作用机理及工艺研究[D].长春理工大学.2006.12.
    [67]CHEN Q H. Recip rocity between laser and material & thermal simulation [M]. Kunming:Yunnan Science and Technology Press,2001:41262 (in Chinese).
    [68]毕华丽.激光切割技术中工艺技术的试验研究[D].大连理工大学.2005,12.
    [69]Aart Schoonderbeek, Cornelis A. Biesheuvel, Ramon M.Hofstraet al. Shadowgraphic imaging of metal drilling with a long pulse excimer laser [C].SPIE,2003,5063:395-400.
    [70]王泽鹏,张秀辉等.ANSYS12.0热力学有限元分析从入门到精通[M].机械工业出版社.2010,6.
    [71]秦宇.ANSYS11.0基础与实例教程[M].化学工业出版社.2009,2.
    [72]张乐乐,谭南林,焦风川编著.ANSYS辅助分析应用基础教程[M].清华大学出版社,2006,3
    [73]王富耻,张朝晖编著.ANSYS10.0有限元分析理论与工程应用[M].北京,电子工业出版社.2006,5.
    [74]张朝晖主编.ANSYS热分析教程与实例解析[M].北京:中国铁道出版社,2007,5.
    [75]李皓月,周田朋,刘相新等ANSYS工程计算应用教程[M].北京:中国铁道出版社,2003,1.
    [76]刘红波、陆刚、边宽江.几种实验设计方法的比较[J].安徽农业科学.2007,35(36):11738-11739.
    [77]王太辰主编.中国机械设计大典第6卷[M].南昌:江西科学技术出版社,2002.1.
    [78]吴浩扬、常炳国、朱长纯等.遗传算法的一种特例-正交试验设计方法[J].软件学报.2001,12.
    [79]王艳、张爱珍、任春生等.正交试验设计与优化的理论基础与应用进展[J].分析实验室.2008,12.
    [80]马成良.现代试验设计优化方法及应用[M].郑州大学出版社.2007.9.
    [81]田梅.小锥度激光打孔技术研究[D].长春理工大学.2005.12.
    [82]张书森、侯永改、邹文俊等.试验设计方法在新型模具研究中的应用[J].金刚石与磨料模具工程.2001.4.
    [83]李张银,方友震,吴贵根.正交试验设计在镀锌钢电焊工艺参数优化中的应用[J].汽车工业与材料.2008,10.
    [84]褚庆臣,虞钢等.激光打孔工艺参数对孔型影响的二维数值模拟研究.2011,6.
    [85]董海云.小锥度激光打孔技术及工艺研究[D].长春理工大学.2004,1.
    [86]杨继宏.激光打微孔作用机理及工艺研究[D].天津大学.2008,5.
    [87]周奕.打孔用声光调Q激光器的设计[D].长春理工大学.2009,3.
    [88]宫磊.Nd:YAG激光器激光打孔实验研究[D].长春理工大学.2008,4.
    [89]朱立汀.应用于激光微孔成型的控制技术研究与系统开发[D].复旦大学.2008,10.
    [90]田瑞生.高速激光打孔加工的技术研究[D].长春理工大学.2008,4.
    [91]裴永臣.微小孔钻头的动态应力研究[D].吉林大学.2005,5.
    [92]荣烈润.激光微细孔加工技术及其在航空航天领域中的应用[J].航空精密制造技术.2009,12.
    [93]禹东赫.声控激光打孔技术研究[D].天津大学.2007,7.
    [94]魏仑.激光熔覆镍基金属陶瓷涂层的研究[D].昆明理工大学.2001,6.
    [95]万周政.激光加工技术在机械加工业中的应用[J].科技资讯.2008,2.
    [96]激光打孔应用http://www.33tt.com/article/2004-12/525.htm.
    [97]陈益民;朱立汀;王文铭.一种应用全固态激光器的钻石微孔加工机[J].上海市激光技术研究所.2009,8.
    [98]卢飞星.激光加工在工业制造业中的市场分析[J].激光与光电子学进展.2009,9.
    [99]王瑜宏.激光微孔加工过程数值模拟技术研究[D].长春理工大学.2008,4.
    [100]黄国秀.激光与金属相互作用的温度场分析[D].长春理工大学.2008,4.
    [101]杨胜军.不同材料激光表面微造型实验分析与数值模拟[D].江苏大学.2008,4.
    [102]陈怡星.脉冲激光表面微造型的数值模拟与实验研究[D].江苏大学.2007,4.
    [103]王昱琳.激光诱导扩散中非均匀场扩散理论研究[D].电子科技大学.2006,1.
    [104]陈君.激光热处理过程中材料的激光吸收率研究[D].浙江工业大学.2008,4.
    [105]申晓龙.高强度镀锌钢激光焊接质量的研究[D].湖南大学.2006,11.
    [106]杨立军.不锈钢薄板激光诱导无模成形技术的研究[D].哈尔滨工业大学.2007,6.
    [107]郭秋东.柔性精密激光切割机的关键技术研究[D].重庆大学.2009,5.
    [108]胡金玲.医用钛表面激光微加工及其生物活性研究[D].沈阳工业大.2007,12.
    [109]沈明.切刀刀片表面耐磨性能的仿生研究[D].吉林大学.2007,5.
    [110]谢小柱.声光调QYAG脉冲激光修锐超硬磨料砂轮的试验研究[D].湖南大学.2002,8.
    [111]毛兴.冷轧镀锡生产线高速激光孔标仪的研制[D].同济大学.2006,6.
    [112]王辉明;耿军儒;魏颖;朱红钢.高压涡轮外支撑环斜深孔激光打孔技术研究[J].2010年“航空航天先进制造技术”学术交流论文集,2010.
    [113]辛凤兰;王智勇;刘学胜.激光阈值附近微孔加工方法的研究[J].激光技术.2006,6.
    [114]高立不锈钢管小群孔激光加工技术[J].潍坊学院学报.2007,11.
    [115]郭栋,邵天敏,李龙土,桂治轮.压电陶瓷的Nd:YAG准脉冲激光打孔研究[J].压电与声光.2002,4.

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