镁合金短脉冲激光剥蚀有限元模拟
高能短脉冲激光辐照金属产生的周期性非光滑表面具有良好的表面力学性能.为了探索短脉冲强激光与块体镁合金材料的相互作用机理以及脉冲激光剥蚀微加工工艺参数对烧蚀凹坑形貌的影响,本文首次采用动网格建模方法和改进的有限元算法对纳秒及亚皮秒激光脉冲烧蚀AZ91D镁合金的温度场和蚀坑形貌/轮廓进行了数值模拟,详细分析了激光能量密度、激光脉宽对剥蚀温度场和蚀坑形貌的影响规律.在有限元模型中,采用动态渐进网格模拟且考虑了等离子体屏蔽效应和临界剥蚀阈值,改进的算法与传统方法相比具有能够将满足剥蚀条件的单元即时从基体中去除的特点,且该算法通过与已有传统脉冲剥蚀模拟结果的一致性对比得到了有效性验证.模拟结果表明,激光能量密度高于某一临界值(约为3J/cm2)时,材料才能被剥蚀,脉冲激光引起的温度场随时间的演化显示蚀坑中心温度升高最快,烧蚀轮廓与高斯脉冲激光束形状相似.此外,激光能量密度、脉宽直接影响烧蚀坑的形状和大小,在模拟的脉冲激光参数条件下,蚀坑半径为3.975—5.000μm,而深度达0.400—8.625μm.当激光脉冲宽度一定时,单个脉冲所产生的剥蚀坑的半径及深度会随着激光能量密度增大而增大,但增大趋势会逐渐变缓,热影响区逐渐变小;当激光脉冲能量密度保持不变,剥蚀坑深度先迅速增大后逐渐减小,热影响区逐渐增大.从热影响区影响规律来看,具有较高能量密度和较短脉冲的激光具有更好的加工精度和加工质量.研究结果为快速有效地加工出具有优良表面力学性能的规则非光滑表面及微小器件提供了理论指导.
镁合金 力学性能 脉冲激光剥蚀 温度场 有限元模拟
周霞 骞耕 李利 宋尚雨
大连理工大学运载工程与力学学部工程力学系,工业装备结构分析国家重点实验室,大连 116024
国内会议
贵阳
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1-10
2014-08-10（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）