纳秒脉冲激光制孔孔壁热应力数值模拟研究.pdf

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1、学术论文RESEARCH纳秒脉冲激光制孔孔壁热应力数值模拟研究张修瑞1，李怀学2’3，黄锐1(1．中航工业成都飞机工业(集团)有限责任公司，成都610092；2．中航工业北京航空制造工程研究所，北京100024；3．高能束流加工技术重点实验室，北京100024)【摘要】通过数值模拟研究纳秒脉冲激光冲击制孔过程孔壁热应力，分析不同脉冲数作用下制孔过程孔壁热应力演变特征，揭示了不同厚度再铸层内应力变化特征。结果表明：随着纳秒脉冲数增加，制孔深度不断增加，孔壁最高温度和最大vonMisses等效应力逐步远离激光入孔端，但最大等效塑性应变在激光入孔端；随着再铸层厚度

2、的增加，其内部拉应力不断增大，微裂纹易产生于较厚的孔壁再铸层内。关键词：制孔；脉冲激光；热应力；数值模拟NumericalSimulationofThermalStressinHole-WaUFabricatedbyNano-PulseLaserDrillingZHANGXiumil．LIHuaixue2，一．HUANGR血1(1．AVICChengduAircraRIndustry(Group)Co．，Ltd．，Chengdu610092，China；2．AVICBeijingAeronauticalM删facturingTec}lIlologyResea

3、rchInstitute，Beijing100024，China；3．ScienceandTecllIlologyonBeamPowerProcessesLaboratoⅨBeijing100024，China)【ABSTRACT】Thethe啪als打essinhole—wallfabricatedbynano-pulse1aser捌llinghasbeeninvestigatedusingnumeri-calsimulation．ThethennalstresseVolutioncharacteristicsinhole·wallhaVebeenreve

4、aledwithdiffbrentnano．pulsesandtheinners仃essinre—castedlayerswithdi虢rentthickIlesseshasbeenanalyzed．Theresultsshowthatme“llingdepthbecomesbigger，andthemaximumtemperatureandVonMissesstresslocationinh01e-wallsaremovingfarawayfromthelaserentrancewithnano-pulsesincreasing，butthemaximum

5、equiValentplasticstrainexitsstillinthelaseraccesspoint．Thetensilestressinh01e—wallisgmwingwimincreasingofmere-castedlayerthicknessandthemicro-cracksusuallyexistinthickerre—castedlayers．Keywords：Drnling；Pulselaser；Themals仃ess；NumericalsimulationDoI：10．16080伍issnl671-833x．2016．09．074

6、航空发动机及其周围构件由于工作温度高，通常需要群孔冷却作用，以提高航空零部件的工作温度和服役寿命。与毫秒脉冲激光制孑L相比，纳秒脉冲激光作为制孔热源具有制孑L热影响区小、变形小、适用性广等特点，非常适合用于航空工业中加工高温合金。纳秒脉冲激光制孔是通过纳秒脉冲激光与高温合金等材料相互作用，使材料瞬间熔化及气化，产生蒸发以及熔体流动，获得所需的冷却孔的直径和深度[1≈】。纳秒脉冲激光制孔过程中，孔壁若残留一部分再铸层，且再铸层内易产生微裂纹。再铸层上的微裂纹会降低航空构件的服役寿命。孑L壁微裂纹产生与孑L壁热应力、再铸层厚度及内应力特征密切相关。目前，国内外关

7、于纳秒脉冲激光制孑L的试验研究报道较多，曾开展了74航空制造技术·2016年第9期不同合金纳秒脉冲激光制孔的试验研究p。8l，揭示了纳秒脉冲激光的制孑L机制以及工艺参数对纳秒脉冲激光制孔的影响等一一31。但是，关于脉冲激光制孑L过程热应力的数值模拟方面研究鲜见报道。纳秒脉冲激光制孔的过程熔池小而深、时间短、物理机制复杂，难以直接准确获得孔壁热应力的演变特征。为了更好地揭示纳秒脉冲激光制孔的孔壁热应力，本文拟采用数值模拟的方法研究纳秒脉冲激光制孔的孔壁热应力，通过建立纳秒脉冲激光制孔的数学模型，采用有限元模拟分析纳秒脉冲激光制孑L中的孑L壁温度场和应力场，根据

8、纳秒脉冲激光冲击制孔试验，验证模拟计算结果。本研究结