同点间隔多次激光微织构工艺研究

探讨了单脉冲同点间隔多次(SPI)工艺对激光微织构加工效果的影响。采用纳秒倍频Nd3+∶YAG激光器在45钢表面进行激光微织构实验,研究激光能量密度、脉冲个数对微凹腔几何形貌参数的影响规律;分析烧蚀所致表面等离子体对激光吸收率的影响;并从实验和温度场模拟角度,对比分析了SPI工艺相比同点连续多次工艺的特点及技术优势。结果表明:随激光能量密度增加,微凹腔直径呈对数函数关系增加,而凹腔深度则随之先增大后趋于平稳,最后略微下降。作用脉冲个数对凹腔直径影响不明显,但凹腔深度随之呈线性增加。较之同点连续多次工艺,SPI工艺能最大限度降低激光加工产生的负面热效应,且多脉冲作用对微织构内部形貌具有"平滑"作用;同时,在保证单个脉冲材料去除率的条件下,提高了激光加工高质量微织构的总效率。     

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.     

YAG激光参量对刻蚀微坑形貌的影响

为了增加单次激光脉冲刻蚀微坑的深度,提高加工效率,利用双声光调制技术,通过对比不同能量密度的脉冲激光刻蚀微坑深度,及对比两种激光器输出的激光脉冲刻蚀微坑形貌,研究了激光参量对刻蚀微坑形貌的影响。结果表明,脉冲能量密度为20.21J/cm2时,刻蚀微坑深度达到最大值,继续增加能量密度时,微坑深度将随之减小;相比于单腔激光器,双腔激光器刻蚀微坑深度从5μm增加至10μm,微坑直径从161μm降至134μm。     

长脉冲激光辐照单晶硅的热损伤

为探究毫秒脉冲激光辐照单晶硅的热损伤规律和机理,利用高精度点温仪和光谱反演系统对毫秒脉冲激光辐照单晶硅的温度进行测量。分析温度演化过程,研究毫秒脉冲激光对单晶硅热损伤全过程的温度状态和对应的损伤结构形态。研究表明:脉冲宽度固定时,激光诱导的单晶硅的峰值温度随能量密度的增加而增加;当脉冲宽度在1.5~3.0 ms之间时,温度随脉冲宽度的增加而降减小。温度上升曲线在熔点(1 687 K)附近时出现拐点,反射系数由0.33增加为0.72。在气化和凝固阶段,出现气化和固化平台期。单晶硅热致解理损伤先于热致熔蚀损伤,在低能量密度激光作用条件下,应力损伤占主导地位,而在大能量密度条件下,热损伤效应占主导地位。损伤深度与能量密度成正比,随脉冲个数增加迅速增加。     

纳秒激光诱导聚酰亚胺薄膜周期性结构的产生

采用波长为355 nm、脉宽为7 ns、重复频率为1 Hz的线性偏振激光在聚酰亚胺薄膜表面制备了微米量级的周期性表面结构,并讨论了激光参数对条纹形貌的影响。实验发现,周期性结构的产生存在一定的能量密度阈值和脉冲个数阈值,当激光能量密度范围在54~586 mJ/cm2,脉冲个数在1~50时,能在聚合物薄膜表面产生周期为4~6.65 μm的规整条纹结构。在保持激光能量密度不变的情况下,增加脉冲个数,或者保持脉冲个数不变,增大入射到材料表面的激光能量密度,都能引起条纹周期增大,并且根据实验结果,随着脉冲个数的增加,烧蚀坑的深度增加,LIPSS能持续出现在坑底。此外,为分析周期性结构形成的可能原因,通过对热传导模型的建立讨论了当周期性结构形成时材料历经的物理状态。文中的相关研究结果对基于LIPSS实现的材料表面润湿性、摩擦力学、光学特性的改善提供了一定的研究基础。     

YAG激光诱导组合脉冲放电对材料表面强化的研究

为了增加激光诱导放电坑强化层深度,同时考虑降低由于表面严重气化导致能量的损耗,研究了激光诱导组合脉冲放电的技术。采用多激光诱导放电的方法,通过在脉冲放电过程中增加脉冲激光个数,来增强通道后期激光诱导的能力;采用增加放电脉冲个数的方法,通过控制加工点的温度来控制放电能量的输入方式,减少能量的集中度,来增加强化层深度。结果表明,通过增加诱导激光脉冲个数,放电坑直径从原来的690μm降为652μm,强化层深度从85μm增加到100μm,通过将1个单脉冲改为一定间隔的3个子脉冲,放电坑直径降为653μm,强化层深度增加到92μm。该方案适合机械部件的表面强化加工。     

激光单脉冲作用下的漆层凹坑形貌模拟研究

研究激光单脉冲作用后漆层表面的凹坑形貌可以有效抑制激光多参数叠加效应及脉冲重叠的光热与光力效应，有助于揭示激光与材料的作用机制，同时可为激光参数优化提供依据。本团队利用实验凹坑形貌数据获得漆层去除深度d及能量密度F的关系式，并基于烧蚀机制建立了高斯激光单脉冲作用后模拟漆层凹坑形貌的数学模型，采用MATLAB对13.58～27.16 J/cm²能量密度下的凹坑形貌进行了模拟与验证。结果表明：低能量密度(13.58～16.98 J/cm²)下，凹坑深度和直径误差均小于5%，凹坑表面近似为旋转抛物面，凹坑剖面轮廓近似为抛物线；高能量密度(20.37～27.16 J/cm²)下，凹坑深度误差小于5%，但凹坑直径误差高达40%，模拟结果与实验结果存在显著差异。误差分析表明，在高能量密度下，等离子冲击与热辐射机制对凹坑形貌具有显著影响。基于上述分析对模型进行修正，修正模型对凹坑深度和直径的模拟误差均控制在5%以内，显著提高了模型模拟的准确性。基于凹坑形貌实验数据建立的形貌模型以及该模型的验证，不仅揭示了不同能量密度下激光与材料主要作...     

多脉冲飞秒激光深小孔的加工

利用改进的双温模型理论,表征了多脉冲飞秒激光对厚的金属铝的烧蚀情况,并在实验上予以验证。用有限差分法对飞秒激光在金属铝表面烧蚀过程的温度场进行了三维数值模拟,预测了孔在激光能量密度、脉冲个数、激光束腰半径等不同激光参数作用下的孔径与深度。实验发现,激光能量密度和脉冲个数是影响小孔形貌的主要因素,且多脉冲烧蚀阈值明显低于单脉冲烧蚀阈值。讨论了准贝塞尔光束在最大准直距离内无衍射的特性,分析了贝塞尔光束对于深小孔加工的提升特性。     

脉冲激光辐照瓷质绝缘子表面损伤试验研究

为防止激光清洗瓷质绝缘子过程中基底发生损伤，开展激光辐照下瓷质绝缘子损伤试验。采用1 064 nm脉冲激光辐照于瓷质绝缘子表面，探究不同能量密度、脉冲个数以及不同辐照时间下瓷质绝缘子的损伤规律，并对瓷质绝缘子表面开展振镜扫描试验，利用图像法确定瓷质绝缘子的激光损伤阈值。试验结果表明，激光定点辐照下，随着激光能量密度的提高、脉冲数的增加、辐照时间的增加，绝缘子表面坑洞直径逐渐增大，最后趋于定值，约为聚焦光斑直径的1.3倍；减小扫描速度，损伤形貌由斑点状变化至条纹状，粗糙度随能量密度的增大、速度的减小而增大；基于图像法的瓷质绝缘子损伤判据，得到损伤能量密度阈值。     

基于热传导方程的长脉冲激光打孔效能比分析

研究了脉宽为ms的长脉冲激光打孔的效能比,即打 孔深度与激光能量之比。首先,测量了脉宽为1ms、不同能量密度的长脉冲激光打孔深度, 结果表明,激光打孔的效能比随着激光能量 密度的增加而下降。根据长脉冲激光功率密度低、脉冲波形近似为矩形的特点,建立了稳态 一维热传导模 型,得到了打孔深度与Al板表面温度之间的关系。然后,将实验中测量得到的打孔深度作为 边界条件,代 入到上述关系式中,计算得到了不同能量密度下激光作用过程中的Al板表面温度,进而计 算得到了气化 损失率。计算结果表明,激光的能量密度越高,Al板的表面温度就越高,气化损失率就越大 。最后,结合 文献报道的实验结果,对相同能量密度、不同脉宽的长脉冲激光打孔深度的不同进行了讨论 。所得到的结果均与文献报道结果吻合。     

离焦量对铝合金表面激光除漆损伤特性的影响

飞机激光除漆时铝合金基体保护及除漆效率与材料损伤阈值密切相关,而激光离焦量的变化将直接改变材料的损伤阈值,以及除漆效率。采用ISO 11254 1-on-1激光损伤阈值测试方法研究不同离焦量时的铝合金和漆层的损伤阈值,对激光单脉冲光斑的二维、三维形貌进行分析,将理论值与实测值得到的不同离焦量时的损伤凹坑直径及深度进行验证。结果表明：随激光离焦量增加,光斑面积增大的同时材料损伤阈值下降,可有效提升能量利用率及除漆效率;实际单脉冲作用的材料凹坑深度随离焦量的增大而减小,且面积增大;凹坑深度、凹坑直径的理论值、实测值具有较好的相关性,并从激光材料作用机理角度对其误差进行了解释说明。     

飞秒激光加工织构及织构对磨损的影响研究

采用自主搭建的飞秒激光平台,选用不同激光参数在铍青铜材质表面加工微凹坑织构,研究激光功率、激光脉冲数对织构直径和深度的影响规律;并采用摩擦磨损试验机销、盘摩擦副开展牙轮钻头滑动轴承模拟工况下的单元摩擦学实验,分析表面织构对滑动轴承润滑及摩擦学性能的影响。研究结果表明,随激光功率增加,织构直径逐渐增大,而织构深度则有相反的变化规律;激光脉冲数对织构直径无明显影响,织构深度则随脉冲数增加逐渐增大。此外,合理直径织构能有效减少牙轮钻头滑动轴承表面摩擦磨损,且随织构直径增加,摩擦副表面摩擦系数和磨损量呈现出先减小后增大的变化规律。     

LF6铝合金双光束激光点焊工艺研究

以LF6 铝合金为实验材料，进行了双光束激光点焊实验，对比了双光束激光点焊接头与普通单光束激光点焊的接头，并且研究了激光功率、点焊持续时间、能量比等对点焊接头形貌和熔合面尺寸的影响。实验结果表明:在相同的功率下，双光束点焊增大了匙孔的直径，提高了匙孔的稳定性，与单光束激光点焊相比，焊点内部气孔数量大大减少，并且熔合面尺寸有了很大的提高；当激光功率不同时，焊点的上表面尺寸变化差距不大，小功率条件下焊点呈钉状；双光束激光的能量比会影响焊点表面的下榻量，能量比为1:1 的情况下焊点的下塌量要明显小于能量比为1.5:1 的情况。     

激光微造型中烧蚀热场及弹坑的数值模拟

在摩擦副表面激光微细加工技术中,为了确定其表面形貌,采用有限差分法对激光微造型中的烧蚀温度场和烧蚀产生的弹坑进行了数值模拟,计算模型在能量平衡方程的基础上,将入射脉冲激光在空间以高斯分布考虑,模拟出了激光微造型中靶材的温度场分布和变化规律,以及弹坑的深度和直径,进行了理论分析和实验验证,将此模拟结果(弹坑直径和深度)和现有文献中的实验进行比较,得到了良好的一致性.这对于激光微造型技术的理论研究是有帮助的.     

266nm纳秒固体激光在CH薄膜上打孔的工艺实验研究

为了研究266nm纳秒固体激光在CH膜上打孔的工艺规律和材料去除机理, 采用单因素控制变量的方法, 进行了单脉冲和多脉冲打孔的实验研究, 分析了266nm纳秒固体激光对CH膜材料的去除机理; 取得了激光脉冲能量、脉冲数量对孔径和孔深影响规律的数据。结果表明, 单脉冲打孔条件下, 当激光脉冲能量为0.014mJ时, 微孔直径和深度最小, 当激光脉冲能量为0.326mJ时, 微孔直径和深度最大, 孔径和孔深随着激光脉冲能量的增大而增大; 多脉冲打孔条件下, 当激光脉冲能量较低时, 激光对CH膜的单脉冲烧蚀率约为0.56μm/pulse, 当激光脉冲能量较高时, 激光对CH膜的单脉冲烧蚀率约为1μm/pulse, 孔径和孔深随着激光脉冲数量的增加而增大; 266nm纳秒固体激光在CH膜上打孔时的微孔形状规则, 大小均匀, 微孔周围无残渣、碎屑等抛出物, 边缘无热影响区, 可推断其材料去除机理主要为"光化学蚀除"。该研究对266nm纳秒固体激光加工CH膜的应用具有一定的参考意义。     

脉冲激光对单晶硅打孔的研究

采用波长为1064 nm的重复脉冲激光对单晶硅进行打孔实验,观测了小孔烧蚀深度以及表面孔径大小随脉冲个数的变化规律,并对激光辐照单晶硅的热力学过程进行了理论分析。研究结果表明:入射激光在穿过等离子体到达单晶硅的表面时,光斑尺寸会有所增大,小孔孔径会大于聚焦光束尺寸。小孔内的等离子体本身具有很高的温度,高温等离子体在膨胀过程中会通过热辐射和热传导等过程向小孔周围传递热量,这也会对小孔孔径起到一定的拓展作用。当脉冲个数低于6个时,孔深随入射脉冲个数的增加近似线性增长,而后开始缓慢增长直至保持不变,这主要是由激光等离子体屏蔽效应决定的。     

皮秒激光烧蚀7075铝合金数值模拟与实验研究北大核心CSCD

为了解超快激光与材料相互作用的机理,优化激光金属烧蚀能力,以达到理想的烧蚀效果,本文在二维轴对称模型中引入了适用于超快激光烧蚀的双温模型,模拟了皮秒激光对于以7075铝合金为代表的低熔点合金的烧蚀行为。通过更改皮秒激光的功率密度和冲击次数,确定皮秒激光各参数对于7075铝合金的影响并与实验结果相对照。结果表明,激光烧蚀的深度小于通过双温模型计算出的金属熔化温度层,同时激光的烧蚀深度与激光密度线性相关,当烧蚀深度大于一定数值时,激光烧蚀深度几乎不随着烧蚀次数的增加而增大。     

脉冲频率和单脉冲能量对准分子激光消蚀人尸正常主动脉的影响

设定激光照射能量，分别改变脉冲频率和单脉冲能量，用ＸｅＣｌ（３０８ｎｍ）准分子激光消蚀人尸正常主动脉。光镜下观察消蚀坑的组织形态学变化并测量消蚀坑深度，研究脉冲频率和单脉冲能量对消蚀过程的影响。