飞秒激光烧蚀镍的数值模拟

为了研究金属镍的飞秒脉冲激光烧蚀特性,利用三维双温模型和采用有限差分法,对飞秒激光烧蚀镍的三维温度场进行数值模拟,计算得到了单脉冲烧蚀阈值、单脉冲烧蚀半径及烧蚀深度等。通过改变激光能量,研究了电子品格耦合时间随脉冲能量变化的规律以及脉冲能量对烧蚀半径、烧蚀深度、烧蚀速率的影响。模拟结果表明,随着飞秒脉冲激光能量的增加,材料烧蚀引起的喷射出现的越早,完成烧蚀所用时间越长,烧蚀速率越大,同时材料烧蚀孔半径、深度增加,最终趋于饱和。     

脉冲激光烧蚀铝合金靶的实验研究与数值模拟

通过实验测量与数值模拟的紧密结合,研究了毫秒级脉冲激光对铝合金板的烧蚀效应。实验研究方面,测量了1053 nm固体脉冲激光辐照下,铝合金单板的烧蚀过程及温升规律。数值模拟方面,采用完全喷射烧蚀模型,建立了金属靶温度变化及烧蚀的数值模型。数值模拟结果与实验结果相符较好,表明所建立的二维轴对称烧蚀模型可以近似描述实验中的烧蚀效应。本文建立的数值模型亦可推广至三维情形。     

飞秒激光制备表面微纳结构数值模拟与实验研究北大核心CSCD

微纳米尺度的表面结构在表面工程中有着许多特殊的性能和应用,为了研究飞秒激光制备不锈钢表面微纳结构的机理,基于经典双温模型理论对飞秒激光烧蚀304不锈钢的过程进行了数值模拟计算。经过计算得到了不同激光能量密度、不同烧蚀深度处电子与晶格系统温度的演化规律,确定了飞秒激光单脉冲作用下的烧蚀阈值,通过数值模拟得到飞秒激光烧蚀不锈钢只发生在材料的表面,对内部的材料影响很小。最后使用飞秒激光微纳加工系统在不锈钢表面制备了微纳结构,多边形微孔结构保持了高质量的边缘形貌,在孔的内壁出现了周期性结构。     

双温方程用于飞秒激光烧蚀金属的模拟分析

讨论了双温模型在不同近似下的电子热传导率对于模拟飞秒激光烧蚀金属过程中靶材的电子温度和晶格温度分布的影响,用有限差分法对飞秒激光脉冲烧蚀金属靶的过程的温度场进行了一维数值计算,以铜靶为例给出了靶材电子与晶格温度分布随时间和深度的演化规律并进行了分析,结果表明不同近似下电子热传导率对于模拟温度分布计算结果有着重要的影响。     

脉宽对飞秒激光烧蚀合金影响的数值模拟

运用结合双温模型的分子动力学模拟方法,研究了飞秒激光与B2结构镍钛合金相互作用的烧蚀机制。采用中心波长为800 nm,能量密度为29.3 mJ/cm2,脉宽分别为50、200、500、1 000 fs激光烧蚀90 nm厚度的靶材,并对靶材底部运用压力传输边界条件,表明传输边界条件能够运用于该数值模拟中。靶材温度、内部压...     

飞秒脉冲激光烧蚀金属的机理分析

为了深入理解超短脉冲激光烧蚀金属的机理,特别是烧蚀过程中靶面电子发射带来的影响,本文分析了飞秒脉冲激光烧蚀金属的机理,并在此基础上建立了一维热传导双温模型,模型考虑了电子热导率、热容、电子-晶格耦合系数等参数随温度的变化,以及表面热电子发射和多光子电离导致靶面的能量损失。选择波长为 800 nm,FWHM为100 fs,峰值功率密度为1.2×1017 W/m2 的高斯型单脉冲激光辐照铜靶进行数值模拟。并对计算数据进行分析,结果表明:多光子电离所导致的电子发射比热电子发射要强,但是热电子发射持续的时间长;多光子电离导致的电子发射带走的靶面能量比较大,在分析飞秒烧蚀过程中不可忽略。     

高频飞秒激光对铜片烧蚀过程热弛豫现象研究

研究了铜片在不同能量密度的单脉冲飞秒激光下烧蚀的结果。 将飞秒激光烧蚀实验的结果结合双温模型在有限差分法下模拟出的数据图,从而研究不同激光能量密度与烧蚀间的联系。飞秒激光的烧蚀过程属于非平衡烧蚀,按照模拟出的数据,对铜片烧蚀过程中表面电子温度及晶格温度有了直观的认识,进而进行研究,得出整个激光烧蚀中热弛豫规律。 在不同能量密度的飞秒激光烧蚀下对电声相互作用的研究,其模拟结果有利于找出能量密度与飞秒激光烧蚀的关联,而实验图进一步表明了提升飞秒激光能量密度与加工铜材料的加工效率以及加工质量之间的意义。综合以上分析,能够得出随着飞秒激光能量密度的增加,飞秒激光烧蚀期间材料的热弛豫过程加长,烧蚀强度有所增加,材料加工后得出形貌质量提高,其对于飞秒激光烧蚀材料的研究具有很大意义。     

脉冲激光烧蚀凹腔的实验分析及数值模拟

为分析脉冲个数对烧蚀凹腔形貌的影响,利用纳秒脉冲激光在灰铸铁表面加工微凹腔造型,分析了凹腔相貌与脉冲个数的关系.在低于10个脉冲的作用下,凹腔深度随脉冲数的增加近似呈线性增长,之后,凹腔深度随脉冲数增加的增长趋势逐渐变缓,凹腔直径随着脉冲个数的增加会有所增大,但增大幅度很小.当脉冲个数大于15以后,由于凹腔较深,熔融的金属难以喷溅出凹腔,导致加工质量较差.凹腔直径随着脉冲个数的增加会有所增大,但增大幅度很小.对加工过程的温度场进行数值模拟,得到了烧蚀过程中温度的变化曲线和凹腔相貌的变化规律.将模拟得到的凹腔深度与实验结果相比较,两者基本吻合,验证了模型的合理性.     

激光与外载荷联合加载7075铝合金的实验研究

为了研究7075铝合金在激光与外载荷联合加载下的失效行为, 采用最大拉力50 kN的拉伸伺服试验机与工作波长为1070 nm的6 kW连续光纤激光系统对7075铝合金进行了不同预载荷与不同激光功率密度下的联合加载实验, 获得了该材料的拉应力-时间曲线、温度-时间曲线、失效时间-功率密度曲线、失效温度-功率密度曲线等, 分析了功率密度与预载荷对失效过程、失效温度和断裂形貌的影响。结果表明, 在相同的预载荷下, 激光功率密度的增大会导致失效时间非线性下降, 失效温度是否有较大变化取决于预载荷的大小, 当预载荷大(330 MPa, 440 MPa)时, 失效温度随功率密度增加略有升高, 预载荷较小(110 MPa, 220 MPa)时, 失效温度变化规律不单调; 在相同的激光功率密度下, 预载荷增大, 失效时间减少, 功率密度较大、预载荷较小时, 失效行为变得相似; 在一定的功率密度(315 W/cm2, 351 W/cm2)下, 失效温度随预载荷的增大先增大后减小。该结果进一步揭示了7075铝合金的失效机理。     

激光清洗5083铝合金表面漆层的数值模拟与试验研究

为了探索不同功率的激光对铝合金表面漆层的温度场分布以及清洗深度的影响,以及光斑搭接率对清洗效果的影响,利用COMSOL multiphysics软件建立了光纤脉冲激光清洗5083铝合金表面漆层的数值模型,最后得既能够防止基体表面受到损坏,也能够使得漆层材料完全去除的激光功率,以及可以获得良好清洗效果的光斑搭接率,并用实验来得以验证。结果表明：激光重复频率为100 kHz时,激光功率越大,试样表面温度上升越快,烧蚀深度也随之增加。当30 W的激光功率基本上可以保证去除掉漆层且不伤及基体表面,对基体材料的烧蚀深度为10μm。在激光功率为30 W,光斑搭接率为50%的实验参数下,试样表面粗糙度较清洗前降低,为4.48μm,在该实验参数下可以获得不伤及铝合金基体的良好的清洗效果。该实验结果可以为光纤脉冲激光清洗的工艺参数的选择提供参考。     

气流环境中激光烧蚀铝靶的数值模拟研究

建立了切向气流环境中连续激光烧蚀金属靶的二维轴对称物理模型,利用有限元软件ANSYS中的参数化设计语言APDL编制程序进行数值求解,使用“杀死”单元的方法实现靶目标边界退移的烧蚀和热传导耦合计算,从而对烧蚀尺寸的变化给出了定量描述。计算结果表明,相比于均匀分布,当激光呈高斯分布时,目标靶中心能够得到更高的温升,也就更容易发生烧蚀,靶的熔穿时间也就越短。本文建立的模型可以方便地推广至三维情形。     

大功率半导体激光焊接2024和7075的试验研究

采用自主研制的1000 W半导体激光器,对2024和7075铝合金薄板进行了焊接.论文分析了不同工艺参数对于铝合金焊缝宏观成型和微观组织的影响.2024铝合金焊缝的沉淀析出物尺寸明显变小.试验研究表明焊接过程比较稳定,焊缝成型良好,得出大功率半导体激光器适合于薄铝板的焊接.     

强激光加载真空中铝靶冲量耦合的数值模拟

为了获得强激光加载真空中铝靶的冲量耦合系数,利用激光体烧蚀模型,采用流体力学理论和1维Lagrange有限差分的计算方法,对真空条件下不同激光参量时气化物质对靶产生冲量的过程进行了数值模拟,模拟计算结果与实验测量结果、Phipps定标关系符合得较好。结果表明,在等离子体条件下,冲量耦合系数随着激光功率密度的增大而减小。     

体育器械用铝合金材料激光表面强化数值模拟

为研究激光表面强化技术在体育器械用铝合金材料的使用效果,利用有限元模拟方法完成激光表面强化过程的模拟分析。通过构建体育器械用铝合金材料物理模型,设定数值模拟边界条件等环节,实现体育器械用铝合金材料的激光表面强化数值模拟。选定实验对象,使用此数值模拟方法模拟加工过程。经实验结果证实,此方法模拟结果符合激光强化原理与技术特征,且数值模拟结果与实操结果较为贴近。在日后的研究中,可使用此技术设定激光强化参数,以此推动激光强化技术的发展。     

AA7075铝合金表面激光熔覆Zr基复合涂层的组织与磨损行为

为了提高铝合金的磨损性能,采用激光熔覆技术在AA7075铝合金表面熔覆了Zr-Cu-Ni-Al-TiC复合粉末,制备出Zr基复合涂层。采用SEM和XRD技术研究了熔覆层的组织；采用干滑动磨损方法评价了涂层的耐磨性。研究结果表明：熔覆层组织主要由非晶和金属间化合物组成。在非晶相和金属间化合物复合作用下,熔覆层表现出优异的耐磨性,尤其是随着熔覆层中TiC含量的增加,耐磨性得到显著的提高。     

45#钢光纤激光毛化数值模拟及实验研究

为了在模具上加工出特定的毛化形貌和尺寸,采用计算流体力学软件Fluent探究形貌成型机理,建立了激光毛化过程3维瞬态模型。考虑热传导、热对流、材料热物性参量等影响因素,采用焓法处理固液相变移动边界,通过用户自定义函数加载激光热源,计算得出熔池温度场与流场。基于数值模拟,采用单因素轮换法进行了毛化工艺试验,研究了激光功率密度、脉宽两因素对毛化形貌、几何参量的影响。结果表明,激光功率密度在2.04×104W/mm2~3.57×104W/mm2,脉宽在100μs~1000μs之间;以氮气作为辅助气体,可获得球冠状、凹顶球冠状、M状3种形貌。该结果对模具毛化种类具有指导意义。     

单道激光熔覆温度场仿真及实验研究

为了研究单道激光熔覆薄板的温度场分布,采用仿真与实验对照的方法,利用ANSYS软件,通过高斯热源模型模拟激光光束能量,再采用非线性边界设定,对单道激光熔覆及冷却过程的温度场进行仿真;使用2kW光纤激光器将铁基(Fe60)粉末熔覆在2mm厚T9A钢板上,并用热成像仪测量多样点温度.结果表明,激光熔覆薄板温度场的仿真符合实...