飞机蒙皮纳秒脉冲激光除漆工艺与机理研究

目的 寻求2024航空铝合金基体表面环氧漆层纳秒脉冲激光去除的最佳工艺参数。方法 运用正交试验方法,通过改变激光功率、脉冲频率和扫描速度等参数,结合三维轮廓仪和扫描电子显微镜分析试样表面除漆后的微观形貌和残漆率。同时,为了研究激光除漆机理,采用能谱仪和拉曼光谱仪分析除漆前后环氧漆层成分的变化情况。结果 工艺参数对试样除漆后残漆率的影响的主次顺序为扫描速度、激光功率、脉冲频率。当扫描速度较小时,随着激光功率的提高,激光烧蚀效应占据主导地位。在增加脉冲频率时,单脉冲激光能量密度随之减小,激光烧蚀效应减弱,除漆效果变差。实验以残漆率为优化指标,获得的最佳除漆工艺参数组合为扫描速度60 mm/s、激光功率7 W、脉冲频率20 kHz。使用此工艺参数测得试样表面的残漆率平均值为0.02。结论 通过选择合适的工艺参数,采用纳秒脉冲激光可以有效去除铝合金基体表面的环氧漆层,并且不会损伤基体。除漆机理以激光烧蚀效应和热振动效应为主,漆层被激光烧蚀后形成碳化物,经过二次激光清洗,碳化物受到热振动效应作用可被基本去除,该研究可为今后飞机蒙皮除漆工艺参数的确定提供参考。     

激光除漆对铝合金基材表面质量的影响

目的 研究激光除漆后对铝合金基材表面阳极氧化膜的损伤情况。方法 采用纳秒脉冲激光器对涂覆复合漆层的2A12铝合金表面进行激光清洗试验。采用超景深显微镜对清洗后表面形貌与横截面进行观察,利用扫描电子显微镜与能谱仪观察清洗后的微观形貌,并利用维氏硬度计对表面显微硬度进行检测。结果 选择合适的激光参数能够完全除去复合漆层,当激光功率过高或激光扫描速度较低时,会发生过度清洗现象,清洗后表面的阳极氧化膜层发生损伤,甚至被去除的情况。在激光功率为450、400 W,扫描速度为4.5 mm/s时,清洗后表面的阳极氧化膜层发生破损;在激光功率为450、400 W,扫描速度为4 mm/s时,清洗后表面的阳极氧化膜层已经被去除。在激光功率为500 W,扫描速度为5.5 mm/s,与激光功率为450 W,扫描速度为5 mm/s时,完全去除复合漆层后的阳极氧化膜层表面的平均维氏硬度分别约为211HV与242HV,在工艺参数为450 W、4.5 mm/s时,表面平均维氏硬度约为168HV。结论 在激光除漆的过程中,采用合适的激光工艺参数彻底去除漆层后,铝合金表面阳极氧化膜层的显微硬度并未受到影响。在发生过度清洗时,铝合金表面的阳极氧化膜层会发生烧蚀损伤以及弹性振动剥离。     

飞秒激光刻蚀对纳米金刚石薄膜表面微观特性的影响

利用飞秒激光对纳米金刚石涂层进行刻蚀试验,通过改变激光的重复频率,输出功率以及焦点扫描速度,研究不同的激光加工参数对金刚石涂层烧蚀结果的影响。利用白光干涉仪器、SEM、拉曼光谱仪研究了飞秒激光刻蚀后涂层表面微观粗糙度、微观形貌以及碳相结构变化。采用面积推算法计算出扫描速度1 mm/s,有效脉冲数为90时的烧蚀阈值。结果表明：金刚石涂层表面飞秒激光诱导的条纹状结构周期（LIPSS）接近飞秒激光波长,改变飞秒激光重复频率对涂层表面形貌修饰影响不大;由于烧蚀饱和作用,飞秒激光功率增加至80 mW过程中涂层表面微观粗糙度持续减小随后维持在325 nm左右;激光扫描速度的增大可使LIPSS特征消失,当扫描速度增加至1.4 mm/s后,涂层表面微观粗糙度不再继续降低而是随着速度的增大而增大。激光诱导的金刚石涂层表面石墨化程度越高,涂层表面微观粗糙度则越低;当有效脉冲数为90时纳米金刚石薄膜的飞秒激光烧蚀阈值为0.138 J/cm²。     

金属表面腐蚀层及涂层的激光干式清洗研究进展

激光干式清洗方法,因操作简单、清洗过程易于控制等优点,目前应用最为广泛。重点介绍了激光干式清洗在各种金属材质表面不同腐蚀层和涂层清除中的应用,包括有多种钢材表面的锈层,钢材表面的ZrO2、Cr2O3、Al2O3变性层,热轧钢表面高温氧化层,Ti合金表面富氧α相层,合金钢在H2S环境中腐蚀而形成的硫化层,钢、铝合金、钛合金表面漆层,热压成型钢板表面Al-Si涂层以及航空压缩机Ti合金叶片TiAlN涂层等。分类对比了不同清洗对象所需选用的合适激光清洗工艺参数,如波长、脉宽、频率、功率、扫描速率等。金属材料激光干式清洗多选用波长为1064 nm的纳秒激光器,清洗后表面粗糙度可达1μm,且随着能量输入的升高而增大。锈层的去除主要依靠高温烧蚀作用,变性层是由于产生的热弹性应力而剥离,而漆层和涂层则是由于烧蚀气化、热振动、热冲击等机制实现清洗。最后,对激光清洗技术在国内不同工业领域中的应用前景进行了展望。     

基于响应面法的Ni60/WC涂层表面织构皮秒分束工艺参数预测研究

目的 实现六分束激光在Ni60/WC涂层表面烧蚀目标织构激光加工工艺参数的精确选择。方法 基于CCD响应面法,设计在不同的激光工艺参数下对Ni60/WC涂层表面进行织构烧蚀试验,以激光频率、扫描次数、扫描速度为影响因素,以圆凹坑织构直径、深度及由其直径和深度综合加权所得的综合目标为响应目标,建立目标织构所需激光工艺参数的预测模型,以织构直径、深度及综合目标作为优化条件,对预测模型进行实验验证。结果 扫描次数对织构直径的影响最显著,单个脉冲光斑上所聚集的能量大小是影响织构直径误差的关键因素。对织构深度影响最显著为扫描次数和频率,织构深度与扫描次数、频率呈正相关,不同因素间的交互作用是影响织构加工结果的关键。通过对预测模型所优选的参数进行实验验证发现,以织构直径和深度、综合目标建立的预测模型优选工艺参数所加工圆凹坑织构的质量评价指标与其预测指标的误差率分别为19.37%、3.57%。功率为6 W时,六分束激光加工最优工艺参数为速度5 500 mm/s、频率400k Hz、扫描2次。结论 通过综合目标建立的Ni60/WC涂层表面圆凹坑织构六分束激光加工参数优选预测模型精确程度较高,能够实现N...     

工艺参数对激光清洗GFRP脱模剂层影响研究

目的 有效去除GFRP表面的脱模剂,保证对玻璃纤维损害降到最低,并提高表面粗糙度。方法 运用正交试验法,采用红外脉冲激光对玻璃纤维增强树脂基复合材料(GFRP)表面喷覆黑漆层的脱模剂层进行去除试验,研究激光的平均功率(15、20、25、30 W)、激光扫描速度(240、250、255、260 mm/s)和激光脉冲频率(70、80、90、100 kHz)对清洗后试件表面形貌和微观组织的影响规律,分别探讨不同激光参数下对GFRP材料表面粗糙度及胶接强度的影响规律。结果 在激光参数为平均功率P=25 W、激光扫描速度v=255 mm/s、激光脉冲频率f=100 kHz下,可将脱模剂有效去除,且保留了玻璃纤维的完整性,同时表面粗糙度值Sa由原来的0.684 μm增加到稳定值(4.5±0.3)μm。随着平均功率的增大,试件表面粗糙度值Sa逐渐增大,其胶接强度高于未表面处理的胶接强度。随着扫描速度的增大,试件表面粗糙度值Sa先减小、后增大。随着脉冲频率的增大,试件表面粗糙度值Sa逐渐减小。结论 最佳试验制备激光清洗工艺参数为平均功率P=25 W、激光扫描速度v=255 mm/s、激光脉冲频率f =100 kHz,在此参数下能有效去除脱模剂,玻璃纤维损害降到最低,并提高表面粗糙度,有效保证GFRP板材表面质量,同时还有利于提高复合材料之间的胶接强度。该研究结果可为航空领域复合材料脱模剂的激光清洗提供工艺参数参考。     

能量输入对TC4钛合金纳秒脉冲激光清洗质量的影响

采用不同功率和脉宽的纳秒脉冲激光,对TC4钛合金表面氧化层(厚度约25μm)进行了激光清洗试验研究,分析了激光能量输入对清洗后表面形貌、粗糙度以及氧化层去除厚度的影响。结果表明:在激光功率300 W、脉宽60 ns条件下能获得较好的清洗效果,且基材未受到明显损伤。相同脉宽下氧化层去除厚度随激光功率的增大而增加,相同激光功率下去除厚度随脉宽的增大先增大后减小。相同脉宽下表面粗糙度随激光功率的增大先减小后增大,在脉宽60 ns、功率300 W条件下粗糙度最小。清洗后的TC4钛合金表面存在纳米级微裂纹,增加脉宽可以有效抑制微裂纹产生。     

CVD金刚石膜激光平整化效率和粗糙度

对化学气相沉积(CVD)多晶金刚石膜进行激光平整化的正交试验,使用场发射环境扫描电子显微镜(SEM)进行形貌分析,激光共聚焦扫描显微镜测量线粗糙度Ra、面粗糙度S_a和切缝锥度,分析激光参数对CVD膜平整化的影响。结果表明：影响切缝锥度的因素依次为脉冲宽度、脉冲频率、进给速度和激光电流,影响线粗糙度Ra的因素依次为进给速度、激光电流、脉冲频率、脉冲宽度。正交试验优化后,当激光电流为64 A、脉冲宽度为400μs、脉冲频率为275 Hz、进给速度为100 mm/min时,可获得最佳的切槽表面形貌。采用该优化参数进行面扫描,测得面粗糙度S_a为11.7μm;进一步增加入射角度至75°时,面粗糙度S_a降低至1.9μm,实际去除效率达到1.1 mm³/min。     

激光清洗时氟碳铝粉漆层表面粗糙度的分析及其对激光吸收的影响

激光清洗2024铝合金飞机蒙皮表面漆层过程中,粗糙表面的形成与演化会对漆层与激光的热交互作用及漆层去除机理产生较大的影响.1 064 nm脉冲激光逐层除漆过程中,分析了漆层表面形貌与粗糙程度的变化,研究了粗糙表面的产生机理及其演化规律,并通过建立漆层粗糙表面等效分析模型计算分析了漆层粗糙表面对激光吸收率的影响规律.结果表明,激光除漆过程中不同的去除机理作用后漆层均会出现粗糙表面,且粗糙表面的演化存在一定的规律;逐层除漆时,漆层粗糙表面对激光吸收率有明显增加作用,在激光作用7次后漆层粗糙表面对激光的吸收率增加了32.8%,如果采用固定的初始激光清洗工艺,会因吸收率增大导致铝合金基材产生损伤行为.     

激光除漆对Ti17合金表面组织性能的影响

目的研究激光除漆对Ti17合金表面组织性能的影响机理,探讨激光清洗在去除污染物的同时是否可以改善基材的组织性能。方法在预处理的试样表面均匀喷涂一层厚度约为50μm的丙烯酸树脂哑光黑色油漆,采用脉冲光纤激光器在不同功率(10、15、20W)下对试样进行脱漆处理。采用白光干涉表面轮廓仪观测试样表面的三维形貌,采用金相显微镜观察试样表面的微观组织,采用显微硬度测试仪测量试样的表面显微硬度,采用表面粗糙度仪测量试样的表面粗糙度。结果经过激光除漆处理后的试样表面均出现了大量凹坑和白色褶皱硬化层,表面显微硬度均得到提高,平均增幅在5%左右,表面粗糙度变化不大,在亚微米级。激光功率为15 W时,白色硬化层分布均匀,厚度约为10μm,表面显微硬度增幅最大,为6.9%,表面粗糙度下降了0.07μm,清洗效果较优。结论激光清洗处理通过选取合适的激光参数,可以在去除污染物的同时,一定程度上改善基材的表面性能。     

Laser glazing of plasma-sprayed zirconia coatings

A CO₂ laser with cylindrical focal lens has been used to glaze the surface layer of plasma-sprayed ZrO₂-20wt% Y₂O₃/MCrAlY coatings. Both a continuous-wave laser and a pulsed laser were used in this study. Different parameter settings for power, travel speed, and pulse frequency were used, and their effects on the melting width, melting depth, coupling efficiency, microstructure, surface roughness, and process defects have been evaluated. Results show that the melting width of the glazed track was slightly smaller than the diameter of the raw beam. The melting depth increased with increasing energy density for both a continuous-wave laser and a pulsed laser. The coupling efficiency as about 40 to 65% for a continuous-wave laser, which increased with increasing laser travel speed, but decreased with an increase in energy density. The power density has no significant effect on coupling efficiency. Defects, such as bubbles or depressions, occur easily with a continuous wave laser. A high-quality glazed layer is successfully produced using a pulsed laser. The surface roughness of the plasma-sprayed ceramic coatings was significantly improved by laser glazing. Surface roughness decreased slightly as the pulse frequency increased for the glazed surface. Based on this study, proper processing parameters have been suggested.     

铝合金脉冲YAG激光焊脉冲调制参数对焊缝形状参数的影响

以2mm厚LF3铝合金薄板为对象,研究了在平均功率和焊接速度不变时脉冲YAG激光焊脉冲调制参数(脉宽、频率及单脉冲能量)对热导焊缝形状参数(熔深、熔宽及深宽比)的影响规律,并结合脉冲激光焊间断作用的特征,引入"有效峰值功率密度"综合考虑焊接速度、频率、脉宽以及光斑大小对焊缝形状参数的影响.此外,还对脉冲激光焊所形成的特殊的层状焊缝形貌进行研究和分析.结果表明,焊缝形状参数受脉宽及峰值功率密度双重作用的影响.脉冲焊得到的焊缝呈现多层状形貌,层数随频率升高而增多.     

飞秒激光加工参数对RB-SiC表面形貌的影响

目的 揭示飞秒激光加工参数对反应烧结碳化硅(Reaction-Bounded Silicon Carbide,RB-SiC)表面形貌的影响规律。方法 通过改变激光能量密度和有效脉冲数,研究RB-SiC表面烧蚀槽的形貌变化规律,确定飞秒激光加工RB-SiC的去除机理。采用扫描电镜、共聚焦显微镜、X射线能谱仪和拉曼光谱仪分析RB-SiC烧蚀前后的表面形貌演变行为。结果 激光能量密度在0.62~10.48 J/cm²时,Si富集区域形成凹陷结构,SiC颗粒区域形成周期性结构(Laser-Induced Periodic Surface Structures,LIPSS),周期约为970 nm。随着激光能量密度的增加,凹陷结构扩大加深,表面球形纳米颗粒增多,烧蚀槽宽度呈对数增长。有效脉冲数在69~ 1 379,Si富集区域的去除量高于SiC颗粒区域的去除量。随着有效脉冲数增加,烧蚀槽深度显著加深,凹陷结构扩展成深坑结构,飞溅至烧蚀槽外侧的纳米颗粒聚集成团簇物,由Si、SiC和非晶态SiO2构成的沉积物在烧蚀槽边缘形成堆积层。结论 降低激光能量密度能够减少RB-SiC表面凹陷和纳米颗粒,有助于提升烧蚀形貌的一致性。增加有效脉冲数会促进烧蚀槽底部深坑结构的产生,进而扩大Si与SiC去除量之间的差异。     

激光清洗纯铝设备线夹工艺及其对电导率的影响

目的 采用激光干式清洗法对模拟纯铝设备线夹的氧化污染表面进行清洗。方法 采用纳秒脉冲激光清洗纯铝板的氧化污染表面。在扫描电镜（SEM）下观察激光清洗前后表面,并采用X射线能谱分析（EDS）测试并分析其元素质量分数。利用电导率测量仪（SIGMATEST 2.069）检测其表面电导率。采用超景深三维显微镜观察激光清洗前后铝板表面形貌,研究激光清洗对其表面形貌、元素含量及电导率的影响规律,从而确定最佳的激光清洗工艺参数。结果 激光干式清洗可有效去除氧化污染表面的O元素和Cl元素,清洗后表面Al、O、Cl元素的质量分数分别达94.02%、5.95%和0.03%,Al元素质量分数较氧化污染表面的37.36%最高提升了151.66%,O和Cl元素则较未清洗表面的59.55%和3.09%最多分别降低了90.01%和99.03%。清洗后的表面电导率可达34.88 MS/m,较氧化污染铝板表面的32.00 MS/m提升9%。最终确定最佳激光清洗工艺为：激光功率120 W,重复频率60 kHz,扫描速度2 875 mm/s,填充线间距0.058 mm,扫描次数3次。结论 激光干式清洗可有效去除铝板氧化污染...     

Substrate pre-treatment of cemented carbides using abrasive flow machining and laser beam ablation

A significant driver in research activities of manufacturers and university institutions is the improvement of tool life for cutting tools. Recent publications have shown that the substrate pre-treatment prior to coating as well as defined rounding of cutting edges are key factors for cutting tool life. Different technologies are used for substrate pre-treatment, depending on the machining task, flexibility of the process and economic aspects. However regarding the surface quality two opposing requirements come into conflict. While high surface quality supports the chip removal during machining, the film adhesion between substrate and coating is greater on rough surfaces. This paper presents a comparison of the abrasive flow machining (AFM) and laser ablation technologies as pre-treatment processes for cemented carbides. With respect to the relevant processing parameters, the effects of a pre-treatment using AFM and laser ablation on roughness, surface topography, mechanical activation and chemical composition have been determined.     

工艺参数对42CrMo钢激光淬火效果的影响

对42CrMo钢进行不同参数下的激光淬火处理,研究了激光淬火功率和扫描速度对42CrMo钢表面淬火硬度和淬火深度的影响规律,分析了在激光功率密度为定值时不同激光淬火参数下硬化性能的变化趋势。研究结果表明,激光功率的增大和扫描速度的减小均可以提高淬火层的深度和硬度;结合激光功率和扫描速度计算所得的能量密度参数与淬火效果存在较强相关性,在能量密度相同时,高功率高速度参数可以增加淬火硬度和深度,并提高加工效率。     

Picosecond laser machining of tungsten carbide

Hard materials such as tungsten carbide (WC) are extensively used in cutting tools in high-value manufacturing, and the machining of these materials with sufficient speed and quality is essential to exploit their full potential. Over the last two decades, short (nanosecond (ns)) and ultra-short (picosecond (ps); femtosecond (fs)) pulse laser machining has been evaluated by various researchers and proposed as an alternative to the current state-of-the-art machining techniques for advanced materials like WC, which include mechanical grinding and electrical discharge machining. However, most of the established/existing research on this topic is based on low power lasers, which may not be adopted in industrial production environments due to its low material removal rate. This paper presents the results of a fundamental study, on using a 300 W picosecond laser for the deep machining of tungsten carbide. The influence of various laser parameters on the geometric precision and quality (surface and sub-surface) of the ablated area was analysed, and the ablation mechanism is discussed in detail. Laser pulse frequency and scanning speed have minimal effect on ablation rate at high power levels. The surface roughness of the ablated area increases with the ablation depth. At optimal conditions, no significant thermal defects such as a recast layer, micro crack or heat affected zone were observed, even at a high average power of 300 W. The material removal rate (MRR) seems to be proportional to the average power of the laser, and a removal rate of around 45 mm³ per minute can be achieved at 300 W power level. Edge wall taper appears to be a significant issue that needs to be resolved to enable industrial exploitation of high power ultra-short pulse lasers.