CFRP复材飞秒激光小孔加工工艺研究北大核心CSCD

飞秒激光有着极窄的脉宽、极高的峰值能量,因此具有加工范围广、加工质量好等优势。利用飞秒激光对CFRP复合材料进行小孔加工试验,研究了光斑局部填充和全填充两种方式对Φ3 mm小孔加工的影响。通过光学显微镜、工业CT等检测手段对试件的小孔加工进行检测,分析小孔进出口形貌以及内壁锥度,对比讨论了不同填充方式对材料去除的影响。试验结果表明,全填充的排屑条件好于局部填充,因此更容易加工出通孔;局部填充易导致光束向底部反射以及热量聚集所致的材料去除,因此加工出的通孔锥度较小。扫描速度越小,孔的锥度越小,反之扫描速度越大,孔的锥度越大。填充间距影响着激光的输入能量密度,因此填充间距对小孔加工的深度有直接影响,对小孔入口直径以及小孔锥度的影响较小。     

飞秒激光能量密度对SiC陶瓷微孔加工的影响

采用飞秒激光对SiC陶瓷进行螺旋微孔加工实验,研究了能量密度对材料微孔加工形貌及孔形的影响,分析了微孔孔径、圆度及锥度随激光加工工艺参数的变化规律.实验结果表明,相比于微孔出口而言,微孔入口受能量密度的影响较小,更高的能量密度有利于提高微孔的加工质量.该研究获得了孔径小于250 μm、圆度大于0.95、锥度小于1°的近圆柱SiC陶瓷微孔.对加工区域进行检测,发现材料表面存在一定程度的氧化现象,分析了位于不同加工区域元素含量变化的原因.     

飞秒激光加工SiC模型参数优化设计研究

开展飞秒激光与SiC相互作用机理研究,探索飞秒激光加工SiC材料的作用机理与激光功率密度阈值、脉冲宽度、频率、重叠率等参数的相互影响,这其中增加了在激光脉冲宽度范围内由于多种因素的影响,导致自由电子密度减少的因素;考虑了飞秒激光光束在被加工材料传输过程中由于被加工材料表面反射而造成的损失量,以及由于激光束电离后光电子与晶格发生碰撞而“反射、散射”造成的能量损失,从而对现有作用机理进行理论模型优化,通过比较研究和实验验证自由电子密度,为飞秒加工过程中激光与材料相互作用研究提供分析和参考。     

基于正交实验的SUS304不锈钢激光打孔过程参量优化

为了优化激光打孔参量和提高激光打孔成型质量,采用正交实验法对5mm厚的SUS304不锈钢材料进行激光打孔实验研究和理论分析,测量和计算得到了激光打孔上下孔径和锥度的数据,并采用极差分析法得到了脉冲宽度、脉冲能量、重复频率、离焦量和脉冲个数等参量对小孔锥度的影响程度以及SUS304不锈钢激光打孔的最优实验参量组合。结果表明,离焦量、脉冲宽度和脉冲个数对孔锥度的影响较大,重复频率和脉冲能量的影响较小,优化后的激光参量为脉冲宽度0.5ms、脉冲能量2.5J、重复频率40Hz、离焦量0mm、脉冲个数200个。采用优化后的激光参量可加工出锥度较小的孔。     

CFRP硅油辅助皮秒激光低损伤制孔工艺

皮秒激光加工具有峰值能量高、脉冲作用时间短等特点,是碳纤维复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)孔切割的重要手段。但是碳纤维和树脂基体的热物性存在较大差异,激光脉冲能量累积与传导行为,致使热损伤难以避免。本文提出一种CFRP硅油辅助皮秒激光制孔工艺,研究硅油对孔内部缺陷、热影响区(Heat affected Zone,HAZ)、孔圆度及锥度的影响。研究表明,与皮秒激光制孔相比,硅油辅助制孔质量显著提高:切口处无基体损伤,孔内壁面无裂纹,仍存在轻微的纤维裸露；孔表面HAZ减至41μm(重复频率200kHz、扫描速度1800mm/s)；激光重复频率200kHz、扫描速度600mm/s时锥度减小1609。综上,硅油有助于调控CFRP激光制孔损伤:改善微观缺陷,抑制热影响区,降低锥度等。     

飞秒激光旋切不锈钢微孔实验研究

为了解决飞秒激光高脉冲能量冲击打孔中时存在微裂纹等问题,提出了飞秒激光旋切加工方法。本文利用脉宽为120 fs的飞秒激光,选择0.5 mm厚度的304不锈钢进行旋切打孔实验。实验研究了激光旋切加工中离焦量和光楔的相对偏转角对孔直径的影响,以及激光离焦量对微孔锥度的影响。结果表明,随着离焦量的增大,孔径增大,同时锥度会减小后增加,当离焦量为0时,锥度最小为3.5°;微孔直径随之双光楔相对转角的增大而增大。此外实验发现冲击打孔孔壁出现微裂纹而旋切微孔的孔壁出现了纳米周期性条纹。     

离焦量对飞秒激光制孔影响的研究

为探究飞秒激光制孔工艺规律,采用脉冲宽度235 fs,重复频率100 kHz的飞秒激光在1.5 mm厚304不锈钢上开展不同离焦量下的制孔试验.首先记录不同离焦量下制孔时间,然后在影像测量仪下测量不同离焦量下微孔入口、出口孔径并计算对应锥度,最后在金相显微镜和扫描电镜下对孔壁进行金相观察及元素分布线扫描.试验结果表明:...     

SiC及其功率器件的激光制孔研究进展

SiC作为第三代半导体材料的典型代表,因具有优异的物化性能,在功率器件领域具有极大的应用前景.文章简要介绍了激光制孔的基本原理,综述了 SiC的长脉冲与超短脉冲激光制孔研究进展,对比了长脉冲与超短脉冲激光的加工特点,分析了不同脉冲宽度下SiC的制孔效果.同时,介绍了 GaN/SiC,AlGaN/GaN/SiC等SiC功率器件的激光制孔研究现状.最后,指出了 SiC及其功率器件激光制孔面临的挑战,并展望了未来的发展方向.     

碳纤维飞秒激光旋切盲孔加工工艺研究

激光对碳纤维复合材料的孔加工在近些年得到了大量的研究，然而大部分都是切孔类的加工，在高质量盲孔加工方面的研究报道较少。利用自研旋切系统结合飞秒激光开展盲孔加工工艺研究，通过光束偏转系统和一组透镜实现光束偏转和平移，最终得到光束倾斜聚焦的效果，可避免由于高斯光束聚焦特性而产生的加工锥度。通过此装置，对碳纤维复合材料进行了0.3 mm孔径盲孔加工的研究，探讨了各工艺参数对加工结果的影响规律，并得到了优化参数，获得了较好的0.15 mm深平底直盲孔的加工效果。在此基础上，进一步探究了对异形底面盲孔的加工，通过逐层加工方式最终得到了截面直径为0.3 mm的半圆状盲孔加工效果。孔整体加工质量良好，热影响区小于5μm。     

高峰值功率自准直脉冲Nd:YAG激光加工无锥度直孔研究

利用改进的脉冲Nd:YAG激光器,对激光冲击打孔加工无锥度直孔进行了实验研究。在优化激光脉冲峰值功率和脉冲能量、辅助气压参数的基础上,通过比较实验证明,能量递增组合脉冲是实现无锥度直孔加工的有效方式,增加脉冲组合中脉冲的个数可加工出负锥度的孔;激光焦点位置是影响孔锥度的重要因素,焦点位于材料表面上方1.1~1.7 mm有利于减小锥度。在厚度为1.5,3.0 mm的镍基高温合金材料上,获得孔径分别为480,510μm的直孔,重复打孔孔径误差约30μm,孔锥度<1%。给出了可实用于激光冲击打孔的直孔加工方法和脉冲激光器,并可用于其他材料的加工。     

不同水辅助方法对高温合金飞秒激光逐层逐圈切孔质量的影响

主要研究了水基和水膜辅助这两种不同水辅助方式对飞秒激光高温合金逐层逐圈切孔质量的影响,对比分析了不同水辅助方式下激光脉冲重复频率变化对微孔出入口孔径、锥度、内壁形貌和内壁粗糙度的影响。实验结果表明:水基和水膜辅助均可以改善飞秒激光制造微孔的质量,微孔锥度减小,微孔内壁粗糙度减小,且水基辅助的改善效果更明显。当激光脉冲能量为80 μJ,脉冲重复频率在100 kHz左右时,水基辅助飞秒激光制孔可以获得较好的孔内壁质量,同时相比于空气中孔的锥度减少18.04%。随着激光脉冲重复频率的增加,两种水辅助条件下微孔的出入口孔径和锥度均先减小后增大,其中水基辅助下的微孔内壁粗糙度数值变化不大,水膜辅助下微孔内壁粗糙度数值不断增加。实验结果为优化水辅助飞秒激光制孔工艺提供了参考。     

皮秒激光旋切加工微孔试验研究

为了解决毫/纳秒激光加工微孔质量低的问题,利用脉冲宽度为200ps的脉冲激光,采用高速旋切法对厚度为0.2mm的SUS 304不锈钢薄板进行直径为200μm的微孔加工试验,用激光共聚焦显微镜观察孔的外观形貌,研究旋切速率、激光功率和离焦量等因素对孔径、锥度和热影响区等加工质量的影响。结果表明,旋切速率对微孔内壁质量有直接的影响;通过提高转速来降低激光脉冲重叠率可以减小微孔内壁的热影响区;适当增加激光功率,能够改善旋切加工微孔切口处的加工质量;采用正离焦加工能够一定程度减小孔的锥度。优化工艺参量能够加工出热影响区小、边缘质量好的小锥度微孔。     

激光淬火工艺参数对40Cr钢淬硬层深的影响

用5kWCWCO2激光器对40Cr钢进行了激光淬火试验,探讨激光工艺参数对淬硬层深的影响。结果表明,激光功率增大、扫描速度降低、激光束重叠尺寸增大,则淬硬层深增大,且扫描速度比激光功率的影响更大。40Cr钢在功率1000～1200W,扫描速度15～30mm/s,激光束重叠尺寸1.0～1.5mm的工艺条件下淬火,可获得不小于0.35mm的平均淬硬层深。     

供油孔流量数值模拟及其飞秒激光加工工艺优化

航天发动机供油装置的喷油流量均匀性是决定其性能质量的关键技术指标,其中供油孔的形状尺寸、内表面状态是喷油流量的重要影响因素。传统的供油孔加工方法以电火花加工为主,存在较厚的重铸层,且加工效率低。而激光制孔为典型的非接触式制孔方法,具有加工效率高、质量好,重铸层少的显著优势。为满足某型号航天发动机供油装置的高效高质量制造要求,采用脉宽为200 fs的超短脉冲飞秒激光螺旋制孔工艺,针对1.5 mm厚的GH3044镍基合金材料开展了以0.39 mm孔径为加工基准的流量数值模拟及工艺试验研究。首先通过数值模拟手段,研究了孔径、圆度、锥度以及内壁粗糙度对供油孔流量的影响规律和控制手段,之后根据模拟所获得的理论结果,通过飞秒激光制孔试验对制孔工艺进行了优化。研究发现,出入口孔径是决定流量大小最重要的因素,在单脉冲能量140μJ,单层扫描时间1 200 ms,单层进给量0.02 mm,重复频率100 kHz,旋转速度2 400 r/min的工艺下,将孔径偏差控制在±5μm以内,最终成功实现了供油孔流量偏差1.8%的制孔效果。     

SiC via holes by laser drilling

Through-wafer vias were formed in 400-μm-thick bulk 4H-SiC substrates by CO₂ laser drilling (1.06-μm λ) with a ?-switched pulse width of ∼30 nsec and a pulse frequency of 8 Hz. The resultant pulse energy delivered to the SiC surface was on the order of 60 mJ/pulse. Laser drilling produces much higher etch rates (229–870 μm/min) than conventional dry etching (0.2–1.3 μm/min) and the via entry can be tapered to facilitate subsequent metallization. Laser drilling combines optical and mass spectroscopic methods to in-situ monitor and control the laser ablation plume and ionized debris, reducing the total residual surface contamination.     

影响激光抛光效果的因素分析

激光抛光是一种非接触式抛光方法.分析了影响激光抛光效率和抛光表面质量的因素及其影响规律,并提出激光抛光工艺参数的选择原则.激光抛光过程中,激光能量密度、激光波长、激光脉宽、激光光束入射角、激光光束扫描速度、扫描方式、工件材料性质和结构等因素对激光抛光效果有着重要影响.激光波长决定着材料的去除方式,从而对抛光表面质量有着较大影响;激光的能量密度与辐照时间对激光抛光效果的影响最大,而激光脉宽、激光光束扫描速度和扫描方式三个因素决定着激光的辐照时间,激光扫描速度和光束扫描方式还影响着激光辐照光斑重叠情况,从而影响激光抛光效果.     

紫外光激光加工盲孔的工艺研究

紫外光(UV)激光因波长短、能量大、加工精度高等优点,被越来越多地应用到PCB微孔制作工艺中。文章研究了UV激光加工φ200μm的盲孔,通过正交试验分析了激光功率、加工速度、激光频率和Z轴高度等各因素与钻孔深度之间的关系,且获得了UV激光制作一阶与二阶盲孔的最佳工艺参数和方法。研究结果表明,钻孔深度随着激光功率和加工速度的增大而增大,而激光频率的增加使钻孔深度减小。     

塑料模具激光精密修复技术的研究

脉冲Nd:YAG激光熔覆技术是精密修复塑料模具最有效的方法之一，激光器的电压、电流、脉冲宽度、脉冲频率与激光的扫描速度、光斑直径等工艺参数直接影响着熔覆的质量。为了综合考虑各工艺参数的影响和简化工艺调整过程，提出了重叠率的观念，建立了重叠率的计算方程。分别采用预置熔覆法和手动送丝法在低碳钢基体上熔覆Ni基合金，获得了最佳工艺参数：单脉冲能量为6.7 J，重叠率为97.4%。利用扫描电子显微镜观察了手动送丝熔覆层存在的冶金缺陷，对其产生的原因进行了初步探讨。     

水辅助激光无重铸层钻孔Al2O3陶瓷实验研究

为了解决传统加工过程中重铸层无法消除的问题，采用超快皮秒激光创新性地在水介质中对Al₂O₃陶瓷进行皮秒激光钻孔实验，并与空气中钻孔结果进行对比，研究了皮秒激光主要参量如单脉冲能量、扫描次数等对陶瓷微孔的孔径、锥度和重铸层厚度的影响规律，并分析讨论不同介质中皮秒激光与Al₂O₃陶瓷相互作用机理及材料去除机制。结果表明，在水介质中激光钻孔直径增加约35μm、微孔锥度降低至1.04°并可获得无重铸层钻孔效果；激光作用过程中水的存在会引起空泡作用、吸收作用和运输作用，有效防止了去蚀材料二次黏附，消除了重铸层和降低了微孔锥度，提升了微孔质量。该研究阐述了水辅助激光钻孔的具体影响状况并加深了对水辅助的影响机理理解。