引言

激光打孔進(jìn)程既存在熔化又存在氣化蒸騰，是一個復(fù)雜的多態(tài)多物理場耦合進(jìn)程。國

內(nèi)外研究人員圍

繞激光參量對激光打孔質(zhì)量的影響規(guī)律與激光打孔工藝參量優(yōu)化現(xiàn)已展開了很多的試驗研究11，如WANG等人根據(jù)單要素法的激光打孔試驗， 剖析了激光器電壓、脈沖寬度、重復(fù)頻率、聚集條件、輔助氣體

等對不銹鋼激光打孔的影響規(guī)律。FU等人使用光纖激光打孔試驗剖析了激光功率、占空比、切割速率、

重復(fù)頻率等參量對光纖激光打孔質(zhì)量的影響。QIAN等人根據(jù)正交試驗辦法進(jìn)行的激光打孔試驗，得出了SUS 304不銹鋼激光打孔的最優(yōu)試驗參量組合。但是選用傳統(tǒng)的試驗手法難以解說和剖析激光打孔的機理以及激光打孔進(jìn)程中資料的相變進(jìn)程。選用模仿仿真的辦法有利于研究激光打孔的物理機制和瞬態(tài)進(jìn)程，并為實踐的激光打孔加工提供理論指導(dǎo)。早期針對激光打孔進(jìn)程的模仿仿真首要根據(jù)解析法14如SWIFT-100K等人引入高斯散布的激光熱源樹立了激光熱作用物理模型，剖析了激光移動速率對熔池巨細(xì)及形狀的影響110.但未考慮相變潛熱的影響。WU等人以無限大均勻介質(zhì)中熱分散方程的解為理論工具給出了激光打孔進(jìn)程的近似數(shù)學(xué)表達(dá)式模仿了激光打孔的孔洞形成進(jìn)程。但使用解析法求解時，無法處理資料熱物理參量隨溫度改變的實踐情況121.目前針對激光打孔進(jìn)程的數(shù)值模仿首要根據(jù)熱傳導(dǎo)理論即通過求解熱傳導(dǎo)方程得到激光打孔進(jìn)程的溫度場。ZHANG等人樹立了1維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)模型研究了長脈沖激光打孔的效能比核算了不同激光能量密度下的打孔深度， CHU等人根據(jù)有限元法樹立了2維激光打孔模型，考慮了激光束空間散布和資料相變潛熱對孔的影響，核算了激光打孔進(jìn)程溫度場和孔型演化進(jìn)程.BE GIC-HAJ DARE VIC等人根據(jù)有限體積法核算了激光打孔進(jìn)程中溫度的散布和孔的幾許形狀(1s.SONG等人使用ANSYS軟件中的單元存亡技能對激光打孔進(jìn)程的溫度場進(jìn)行模仿仿真得到了小孔的孔深、孔徑的時刻特性以及隨激光能量的改變曲線!但該模型疏忽了打孔進(jìn)程中產(chǎn)生的熔化現(xiàn)象，只考慮資料的氣化。

根據(jù)熱傳導(dǎo)理論的模型大多疏忽了重力、反沖壓力和粘滯力等對激光打孔的影響，且僅考慮資料的固-

液相變進(jìn)程疏忽了資料的液氣相變進(jìn)程，因而僅能模仿激光打孔進(jìn)程中的溫度散布情況。別的，激光打

孔進(jìn)程中資料發(fā)生相變會導(dǎo)致資料的熱物理特點發(fā)生階躍跳變需要對隨溫度改變的資料參量進(jìn)行滑潤處

理。資料的熔化和氣化蒸騰進(jìn)程還涉及到粘滯力和反沖壓力的作用以及相變潛熱和熱對流的影響，因而根據(jù)熱傳導(dǎo)理論樹立精確的激光打孔模型較為困難。本文中以航空渦輪發(fā)動機葉片常用的GH4037鎳基高溫合金為研究對象根據(jù)流體傳熱和流體力學(xué)理論樹立了操控方程組模型中考慮了重力、反沖壓力和粘滯力的作用，也考慮了資料的固/液相變和氣/液相變進(jìn)程提高了激光打孔模型的精確性。通過核算得

到了激光打孔相變進(jìn)程中不同時刻的溫度場散布、熔池活動速率以及氣化蒸騰速率，為進(jìn)一步展開激光打孔的研究奠定了理論基礎(chǔ)。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 有限元模型

本文中有限元模型的樹立、參量設(shè)置、邊界條件設(shè)置、求解以及后處理等均根據(jù)COMSOL MULTI PHY-

SICS多物理場仿真軟件。為便于核算有限元模型選用2維模型分為上下兩個矩形域。上矩形域為空氣，

長4mm高4mm；下矩形域為GH4037鎳基高溫合金，長4mm，高1mm?？紤]到模型精確性，同時削減核算

量在空氣以及資料外表以下0.5mm左右的深度結(jié)構(gòu)較細(xì)的網(wǎng)格其它區(qū)域構(gòu)建較粗的網(wǎng)格網(wǎng)格類型選用

三角形網(wǎng)格。幾許模型的網(wǎng)格劃分作用如圖1所示。

2

模仿結(jié)果與剖析

2.1

溫度場模仿結(jié)果圖3為激光作用0.80ms，1.20ms，1.60ms和1.70ms左右的溫度場模仿結(jié)果。圖3中的橫縱坐標(biāo)分別代表幾許區(qū)域的長和高，單位為mm，色柱表明溫度單位為K。如圖3a、圖3b所示在激光加熱早期階段激光束首要用于加熱基體激光束下方的資料到達(dá)消融溫度后開端形成小的熔池，此時激光能量以菲涅爾吸收的方式被資料外表吸收其余能量被反射，傳熱進(jìn)程以熱傳導(dǎo)方式為主。隨著加熱時刻增加，熱傳導(dǎo)現(xiàn)象加重熔池的深度隨之增加。如圖3c所示激光加熱1.60ms左右資料外表發(fā)生氣化現(xiàn)象，在小孔內(nèi)外壓力差的作用下氣化資料沿筆直方向向上噴出并與周圍空氣形成了熱對流。如圖3d所示，激光加熱

1.70ms左右資料氣化蒸騰現(xiàn)象更加顯著氣化后的資料進(jìn)一步上升，并向周圍分散，形成了類似“蘑菇云”的形狀。

3 定論

根據(jù)流體力學(xué)和流體傳熱理論樹立了GH4037鎳基高溫合金激光打孔相變模型，核算了激光打孔相變進(jìn)程的溫度場散布、熔池活動速率以及氣化蒸騰速率，模仿結(jié)果較好地展示了資料熔化和氣化蒸騰的相變過

程。

(1)隨著激光作用時刻增加資料相繼發(fā)生熔化和氣化現(xiàn)象熔化資料初期在粘滯力和重力的阻礙作用下活動較為緩慢然后在氣化蒸騰資料的反沖壓力下熔池的活動速率敏捷增加氣化蒸騰資料沿筆直方向從小孔噴射到空氣中，并向周圍空氣中分散。

(2)在激光功率為2000W、脈寬為1.70ms時，熔池的水平活動最高速率為1.7m/s筆直活動最高速率為1.1m/s資料最大氣化蒸騰速率可以到達(dá)250m/s。