激光辐照AZ31B镁合金表面温度场特征演化的数值模拟

摘要

连续激光辐照金属材料的温度场研究是激光加工等领域的重要研究内容之一。然而，在实际应用中通过总结实验规律的方法来研究激光热处理过程中温度场的变化规律是十分困难的。通过建立模型对激光加工过程进行数值仿真，可以从理论上准确的预计激光对物质的热作用，实现对激光加工工艺的优化控制。因此，进行连续激光辐照金属材料的温度场分布规律的数值仿真研究，对激光加工等领域有着重要的意义。
　　本文阐述了激光热加工的基本原理以及镁合金激光加工的研究现状，并简要介绍了有限元法基本理论以及有限元法在传热学中的应用。
　　采用有限元法，对建立的激光辐照AZ31B镁合金表面产生的温度场的数值计算模型进行数值仿真，并对仿真结果进了行理论分析。研究了激光扫描速度、TEM00及TEM10两种理想模式的叠加比例η的取值、激光功率以及材料厚度等因素对AZ31B镁合金表面温度场变化规律的影响。分析了当材料表面达到相变温度时所需的激光功率和材料表面发生相变的情况，以及材料上所取的几个参考点的温度场变化情况。
　　仿真结果表明:随着扫描的速度加快则材料表面可以吸收激光能量则相对减少，导致各点的温度也相对较低;η的取值决定了激光光束的能量分布情况，η值越高激光光束能量越集中;材料的温度升高速度以及温度的最高值会随着η取值的增大而增大;激光功率也影响材料的温度升高速度以及其温度可以达到的最高值，当激光功率取值高时，激光光束照射到材料表面时各参考点就可以在相同的时间内吸收更多的激光能量，因此激光功率取值越高则各点的温度变化速度和温度值也就越高;随着各参考点深度的增加，位于材料内部各参考点的温度的最高值逐渐降低并且温度的升高趋势逐渐趋于平缓。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 纯镁及镁合金的性质

1．2．1 纯镁的性质

1．2．2 镁合金的性质

1．3 镁及镁合金的应用

1．4 激光热加工基本原理

1．4．1 材料对激光的吸收

1．4．2 材料的加热

1．4．3 材料的熔化和汽化

1．4．4 激光等离子体屏蔽现象

1．5 镁合金的激光加工研究现状

1．5．1 激光与镁合金材料的作用机理

1．5．2 激光焊接

1．5．3 激光表面改性

1．5．4 激光切割

1．6 本文的主要研究目的及研究内容

第二章 有限元模拟基础理论

2．1 有限元法

2．2 有限元法分析的主要步骤

2．3 传热的基本理论

2．3．1 金属材料对激光能量的吸收及反射

2．3．2 热传递的三种方式

2．3．3 热传递的基本定律

2．4 有限元温度场分析理论

2．4．1 热分析概述

2．4．2 有限元法在传热学中的应用

2．4．3 瞬态温度场泛函

2．4．4 瞬态温度场的有限元离散和泛函变分矩阵表达式

2．5 本章小结

第三章 激光扫描AZ31B镁合金数值模拟建模及分析

3．1 COMSOL Multiphysics软件简介

3．2 建立激光扫描AZ31B镁合金的物理模型

3．3 建立激光辐照AZ31B镁合金的数值模型

3．3．1 激光扫描AZ31B镁合金的参数设定

3．3．2 计算网格及步长

3．3．3 设定模型的边界条件和初始条件

3．3．4 激光光束的选择

3．4 激光扫描AZ31B镁合金的静态数值仿真

3．4．1 η值对表面温度场的影响

3．4．2 温度场随深度变化的分布规律

3．4．3 激光功率对表面温度场的影响

3．5 本章小结

第四章 激光扫描AZ31B镁合金工艺参数的数值仿真

4．1 η值对表面温度场分布的影响

4．1．1 激光加热过程中温度场的分布

4．1．2 η值对表面目标点的温度曲线变化的影响

4．2 激光扫描速度对表面温度场的影响

4．3 激光功率对表面温度场的影响

4．4 材料表面达到临界温度值所需的激光功率

4．5 温度场随深度变化的分布规律

4．6 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文