激光切割锂电池负极极片复合材料的数值模拟

为了探究负极极片复合材料的切割性质, 采用有限元模型, 对激光切割锂离子电池负极极片复合材料温度场进行数值模拟计算。由温度场分布取得了负极切缝宽度与切缝深度的尺寸大小, 从中研究激光功率、切割速率和光斑半径对负极表层材料切缝宽度与切缝深度的影响。结果表明, 负极表层切缝宽度随激光功率和光斑半径的增加而增大, 随切割速率增大而减小; 切缝深度随激光功率增加而增大, 随切割速率和光斑半径增大而减小。切割至中间铜箔后, 切缝深度变化速率趋缓, 负极材料的复合结构对切缝深度存在明显影响; 在功率为170W、光斑半径为47μm、切割速率变化至600mm/s左右时, 效果最为明显, 切割深度在该参量下达到60μm, 且突破这一阈值后增长速率得到明显提升直至极片完全切断。这一结果可为激光应用于锂离子电池极片复合材料切割提供参考。     

单层碳纤维复合材料激光多向切割的温度场模拟北大核心CSCD

研究了激光切割碳纤维复合材料(CFRP)过程中碳纤维的铺设方向和树脂含量对激光能量传递方向以及切割质量的影响。根据复合材料混合定律设定材料物理参数,建立了碳纤维铺设角度为0°、45°、90°,树脂含量由30%增至50%的单层CFRP三维有限元模型。数值模拟结果表明,激光多向切割单层CFRP时,烧蚀前沿的能量传递方向由激光切割方向主导;随着纤维铺设角度的增大,传递方向的角度增大;稳定切割时能量传递主要沿纤维铺设方向。随着纤维铺设角度的增大,切缝倾角增大,表面碳纤维烧蚀宽度几乎不变,温度场变宽,最高温度降低。切割不同树脂含量单层CFRP时,热影响区宽度和最高温度随树脂含量的增加都呈近似线性变化。与试验结果相比,数值模拟结果中的表面碳纤维被烧蚀宽度的平均误差为10.66%,热影响区宽度的平均误差为13.09%。     

CO2激光切割电子强化玻璃过程的有限元模拟与实验

在激光热裂法切割玻璃的过程中,温度起着至关重要的作用。为了准确掌握切割过程中温度场的分布,提高切割质量,提出了一种CO2激光切割玻璃基板的数值模拟方法。在ANSYS有限元环境下,建立了激光热应力切割电子强化玻璃的三维有限元分析模型,对温度场进行了分析。通过实验验证,得到了切割过程中温度场在不同参数下的变化及其对切割质量的影响以及温度分布与激光功率、光斑尺寸和扫描速度的非线性关系。     

266nm紫外固体激光切割碳纤维复合材料的实验研究

为了研究266nm紫外固体激光切割碳纤维增强复合材料(CFRP)的工艺规律,采用单因素实验法、正交实验法和多元线性回归分析法,进行了266nm紫外固体激光切割CFRP的实验研究,得出了激光脉冲能量、扫描速率对切缝宽度和热影响区宽度的影响规律.结果表明,切缝宽度和热影响区宽度随激光脉冲能量的增大而增大,随扫描速率的增大而...     

激光功率对激光加工CFRPs热损伤影响研究

激光加工通过迅速升温实现材料去除,能够克服传统碳纤维增强复合材料(CFRPs)加工过程中出现的热损伤而导致的加工质量问题,成为了CFRPs精密加工的先进技术。为探究激光功率对CFRPs切割过程的影响机理,针对CFRPs激光切割过程,建立了综合考虑激光功率分布特性、材料相变烧蚀特性、材料各向异性和空气对流的三维介观耦合模型,应用COMSOL5.6进行了数值模拟。模拟结果表明,环氧树脂的烧蚀量随时间的变化呈三次函数关系,碳纤维的烧蚀量呈一次函数关系,且环氧树脂的去除速率高于碳纤维去除速率。此外,热影响区(HAZ)宽度随激光功率增大而增大,随时间变化呈三次函数关系。     

CFRP与不锈钢激光焊接的有限元分析

为了研究碳纤维增强热塑性复合材料（CFRP）与不锈钢激光焊接的机理,及不同工艺参量对焊缝质量的影响规律,采用ANSYS建立了基于热传导焊的3维有限元模型,计算得到了温度场和应力场的分布,分析了激光功率、焊接速率和光斑直径等参量对焊缝宽度和焊接深度的影响规律,并进一步计算分析了焊接后的残余应力对焊接质量的影响情况。结果表明,该有限元模型能够快速、有效模拟激光对CFRP-不锈钢焊接温度场和残余应力分布;激光功率、焊接速率和光斑直径等工艺参量对焊缝宽度和焊接深度有着重要的影响;计算出的焊接残余应力与残余应力的理论分布规律也基本吻合,验证了该有限元模型的可靠性。该研究结果对获得高质量CFRP-不锈钢焊接接头是有帮助的。     

碳纤维增强复合材料与钛合金激光连接仿真

为了研究不同工艺参数对TC4钛合金与连续编织碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料（CFPEEK）的激光焊接接头的影响规律，并对焊接工艺窗口进行预测，使用ABAQUS软件建立基于热传导的有限元仿真模型，计算TC4钛合金/CFPEEK激光焊接接头的温度场分布。针对CFPEEK中连续编织碳纤维的实际铺层情况，在建模时对复合材料进行分层处理，将碳纤维层视为正交性质的材料。在此基础上探究了激光功率、焊接速度、光斑尺寸对焊缝熔化深度及宽度的影响规律，计算结果与实际试验结果吻合度较高，激光功率、焊接速度、光斑尺寸等工艺参数均对接头结合处的温度有较大影响。经过多组参数的计算，得到了TC4钛合金/连续编织CFPEEK激光连接的预测工艺窗口。结果表明，所建立的有限元模型能够有效模拟连续编织CFPEEK与TC4钛合金激光连接的温度场分布，对实际试验有一定指导意义，可降低试验成本。     

激光切割碳纤维复合材料的实验研究

为了获得激光切割参量对碳纤维复合材料的影响规律,利用额定功率为500W的毫秒脉冲Nd:YAG激光器,分别进行了在空气中和水下切割碳纤维复合材料(CFRP)的实验研究。采用单因素实验法,考察了脉冲能量、频率、切割速度与气体压力等激光参量对切割质量的影响,获得了激光参量对切割CFRP材料切口的切缝宽度、正面纤维拔出长度、背面纤维拔出长度与锥角的影响规律,并对激光切割机理进行了分析研究。结果表明,水下切割能有效地减小激光切割产生的热影响区。这为继续开展激光水下切割CFRP的研究提供了参考。     

激光扫描角度对碳纤维复合材料的热影响研究分析

为研究激光扫描角度对碳纤维复合材料的热影响作用和扫描角度对激光能量在材料内部传递过程的影响,以常用的纤维铺设角度即0°、45°和90°作为激光扫描角度,进行了有限元模拟和试验验证。结果表明,随扫描角度的增大,激光对材料的热影响范围逐渐增大;当扫描角度为45°时,切缝两侧纤维碳化较为严重。通过激光切割试验验证,发现模拟与试验存在误差为746,模拟与试验所呈现出扫描角度对材料的热影响趋势,以及扫描角度对纤维造成碳化的结果特征具有一致性。为降低激光切割对材料的热影响,减小材料的碳化区域,改善材料的激光切割质量,除选用合适的激光参量外,应尽可能的使激光扫描角度与纤维轴向一致。     

红外激光制备钛氧化层的温度场模拟与分析

钛合金表面氧化在提高耐磨、耐蚀、界面相容性等方面具有重要应用。采用高斯分布的面热源，模拟红外激光制备Ti6Al4V钛合金表面氧化层过程中的温度分布及变化。首先，通过对比激光功率为500 W(功率密度为39.8 W/mm²)、扫描速度为15 mm/s时钛合金表面和厚度方向温度分布的模拟与试验结果，验证了有限元模型的有效性。然后，采用该模型研究激光功率、扫描速率、重复扫描间隔等对温度场的影响规律。随着激光功率增加，扫描速率降低，加工过程中的线能量增加，钛合金表面和厚度方向的温度整体增加。当线能量相同情况下，由于能量在钛合金表面的累积，大功率高扫描速度下可以获得更高的表面温度和基本相同的内部温度。随着重复扫描间隔的缩小，表面最高温度逐渐升高。     

碳纤维复合材料皮秒激光切割工艺研究

为了研究100W皮秒激光对碳纤维复合材料（CFRP）切割工艺,采用单因素实验方法,进行了理论分析和实验验证,得到了平均功率、重复频率、扫描速率、扫描次数对热影响区及扫描深度的影响规律,并对1.5mm厚碳纤维复合材料板进行了切割实验。结果表明,选取平均功率为60W、重复频率为0.4MHz、扫描速率为10m/s、轨迹重复扫描20次、切缝上表面宽为350μm等适当参量时,得到的直线切缝和圆形切孔的热影响区极小。这为皮秒激光切割CFRP的进一步研究与工业应用提供了参考。     

不同冷却方式对激光加工CFRP的影响研究

为了探索不同冷却方式对激光加工的影响,采用水、气体以及水气复合3种不同冷却方式辅助激光加工碳纤维复合材料进行了对比研究,同时采用单因素实验研究了不同工艺条件对加工质量的影响,并分析了作用机理。结果表明,在3种冷却方式下,热影响区、槽深均随着功率、频率的降低而降低,随着扫描速率的增加而降低;在相同工艺参数下,水气复合辅助激光加工产生的热影响区最小,气体辅助激光加工产生的热影响区次之,水辅助激光加工产生的热影响区最大;当激光功率为2250 W、频率为1200 Hz、速率为120 mm/s时,水、气体以及水气复合3种不同冷却方式的热影响区分别为378μm, 283μm, 196μm,槽深分别为401μm, 789μm, 647μm;采用水气复合辅助激光加工可以在加工过程中实现较好的冷热平衡,获得最好的加工质量。该研究为更好地实现碳纤维复合材料低损伤加工提供了参考。     

高功率激光辐照CFRP的温度场和应力场的数值分析

为了研究高功率激光致碳纤维/环氧树脂复合材料的热损伤规律,采用COMSOL软件对多层结构的碳纤维/环氧树脂复合材料的热应力进行模拟计算,取得了不同功率密度激光辐照复合材料的瞬态温度场与应力场的时空分布及变化规律。测量得到不同功率密度的激光作用碳纤维/环氧树脂后的损伤面积和损伤形貌,与数值模拟结果的趋势吻合。结果表明,靶材表面辐照中心点温度在872K时出现温度平台,即相变潜热期与逆相变潜热期,并随着激光功率密度变化;激光辐照靶材对上表面碳纤维产生了极大的轴向压应力,功率密度为293W/cm2时,压应力差值约为1.87MPa;功率密度为3453W/cm2时, 压应力差值约为1.42MPa。这一结果对高功率激光致碳纤维/环氧树脂复合材料的热损伤研究提供了理论基础。     

脉冲光纤激光切割连杆裂解槽工艺参量优化

为了获得36MnVS4连杆裂解槽最优的切割质量,采用正交实验法对裂解槽进行了激光切割理论分析和实验验证,通过激光共聚焦显微镜测量裂解槽的深度、宽度、张角及曲率半径等几何尺寸,同时采用扫描电镜观测裂解槽底部微观形貌及热影响区的厚度,采用极差分析法得到了峰值功率、脉冲宽度、切割速率和脉冲频率对裂解槽几何尺寸的影响,并获得了最优实验参量组合。结果表明,裂解槽热影响区厚度皆小于100μm且裂解槽底部存在微裂纹及气孔,各参量组合对裂解槽宽度、张角及曲率半径的影响较小,对裂解槽深度的影响较大;脉冲宽度和峰值功率对槽深的影响较大,脉冲频率和切割速率对槽深的影响较小;优化后切割速率为1.0m/min,峰值功率为700W,脉冲频率为1000Hz,脉冲宽度为50μs。这一结果对实际生产具有重要意义。     

高功率双包层光纤激光器温度分布的有限元分析

高功率双包层光纤激光器的热效应严重制约光纤激光器的输出功率和光束质量。首先通过求解热传导方程得到简化情况下的温度解析解;然后，利用有限元方法对不同情况下的温度分布进行模拟计算。通过模拟计算得到：外包层聚合物材料的热传导系数对光纤的温度分布影响较小，因而在近似计算时可以认为纤芯及内、外包层热传导系数相等;外包层表面的对流换热系数对温度分布影响较大，增大对流换热系数，可以有效地降低光纤激光器的热效应;外包层光纤半径的大小对光纤激光器的温度分布也有影响。所得的结果为设计实现千瓦级光纤激光器提供了参考。