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激光拋光304不銹鋼過渡階段表面結(jié)構(gòu)形成機(jī)理研究

供稿人:孫嘯宇 張航 供稿單位:西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室  發(fā)布日期:2022-12-15

東北大學(xué)Jilin Xu等人研究了一種新型激光拋光表面結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理,實驗展示了這種表面結(jié)構(gòu)的輪廓和尺寸參數(shù)隨激光功率的完整演化(圖1),并初步分析了表面結(jié)構(gòu)形成的原因。

圖1 不同激光功率下表面結(jié)構(gòu)的演化:(#-1)三維形貌,(#-2)橫截面輪廓,(#-3)拋光道內(nèi)輪廓

通過不同激光功率的單道試驗發(fā)現(xiàn),邊緣凸起高度隨功率的增加而逐步減小到0,而中心凸起高度、寬度和凸起體積隨激光功率的增加而增加。作者認(rèn)為中心凸起是由于表面活性元素影響的熱毛細(xì)力所引起的;邊緣凸起是由于熱毛細(xì)力和材料去除產(chǎn)生的反沖壓力所造成的;凸起的體積增加主要是由于材料受熱膨脹和相變;寬度的增加和熔池寬度有關(guān)。

為了更好地研究這種表面結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理,作者建立了一個結(jié)合傳熱、流體流動、材料汽化和體積膨脹的二維數(shù)值模型(圖2),主要研究了五個因素(毛細(xì)力、受表面活性元素影響的熱毛細(xì)力、反沖壓力、材料去除和體積膨脹)對表面結(jié)構(gòu)形成的影響(結(jié)果總結(jié)在表1中)。

圖2 在表面結(jié)構(gòu)形成過程中,溫度場(彩色表面輪廓)、流場(彩色箭頭圖)和表面輪廓的演變圖
表1 不同因素對表面結(jié)構(gòu)各尺寸的貢獻(xiàn)表,(h1sim中心凸起高度,h2sim邊緣凸起高度,ΔVsim體積增加量,Wsim寬度),(↑表示該因子增加了尺寸參數(shù),↓表示該因子減少了尺寸參數(shù),?表示該因子對尺寸參數(shù)沒有影響或影響很?。?,(CF熱毛細(xì)管力,TF熱毛細(xì)管力,RP反沖壓力,MR材料去除,VE體積膨脹)

最后作者用所建立的模型模擬了不同激光功率下單道的最終形貌,與實驗結(jié)果進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)誤差不大,證實了所建立模型的可靠性。

近來隨著現(xiàn)代制造業(yè)的迅速發(fā)展,對工件的表面質(zhì)量提出了更高的要求。激光拋光作為一種新型拋光方式正越來越受到社會各界重視。本文研究了一種新型激光拋光表面結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理,完善了激光拋光的理論研究,對激光拋光技術(shù)的應(yīng)用具有推動作用。

參考文獻(xiàn):

  1. XU J, ZOU P, KANG D, et al. Theoretical and experimental study of bulge formation in laser polishing of 304 stainless steel [J]. Journal of Manufacturing Processes, 2021, 66: 39-52.
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