基于机器学习的K424合金刻蚀深度预测

为探究水导激光加工过程中不同工艺参数对K424高温合金刻蚀深度的作用,对K424高温合金进行了包括激光功率、进给速度及加工次数在内的三个关键工艺参数的影响刻蚀实验,实验结果表明:较大的功率、较小的进给速度和多次加工会产生更深的刻蚀。此外采用XGBoost、RF、BPNN以及SVR四种模型建立了激光功率、进给速度和加工次数与加工深度之间的预测模型。在拟合效果上XGBoost与SVR模型表现优异,最大误差百分比均不到03;在预测结果方面显示,XGBoost最大误差百分比6698,优于另三种模型。最后得出XGBoost模型在拟合和预测K424高温合金加工深度方面有更好的性能。与传统的干式激光加工相比,水导激光加工技术减少了材料热损伤,提高了加工质量。该研究为水导激光加工K424高温合金提供了参考。     

激光在高速钢表面加工沟槽表面织构的实验研究

沟槽状表面织构广泛应用于机械密封、缸套活塞环等机械摩擦部件,其性能取决于加工后的几何参数,因此高效准确地加工出理想尺寸的织构显得尤为重要。运用不同的激光输出功率、重复频率和扫描速度在高速钢表面加工沟槽状表面织构,设计了三水平三因素的全面实验,系统研究了加工参数与沟槽织构几何参数的关系。结果显示:随着激光重复频率的增加,沟槽织构深度和宽度均呈现先略微增大后减小的趋势。扫描速度增大使沟槽织构深度先增加后减小,而宽度均随着扫描速度的增大而变大。方差分析表明:较之激光输出功率,激光扫描速度、重复频率及其交互作用对织构加工深度和宽度的影响更显著。输出功率在10~14 W之间、重复频率在20~30 kHz之间、扫描速度1000 mm/s左右时,加工高速钢表面沟槽织构的质量较好。同时,压痕实验证明,在织构边缘区域硬度明显增加。     

全固态皮秒径向偏振激光器及其加工特性

在自主研制的全固态皮秒激光器基础上,腔外加入偏振转换元件输出皮秒径向偏振激光,并对其进行侧泵Nd:YAG晶体放大,最终得到中心波长1 064 nm、平均功率1.95 W、重复频率1 kHz、峰值功率1.77108 W、光束质量2.95以及纯度92%的皮秒径向偏振激光器。用该激光器对0.5 mm厚不锈钢材料进行钻孔和刻槽实验,并与同等加工工艺参数条件下皮秒线偏振激光器钻孔圆度和刻槽深度进行对比,分析两种激光器对加工效果的影响。实验结果表明,相比皮秒线偏振激光,利用皮秒径向偏振激光进行加工,钻孔圆度更好、刻槽深度更深且槽侧壁更为平坦。该结果为皮秒径向偏振激光器在材料加工领域的应用提供参考。     

激光工艺参数对PCD刀具材料去除量的影响

为了提高聚晶金刚石(PCD)刀具断屑槽激光去除的效率,选取激光功率、频率、扫描速度和重复次数作为实验因素,以PCD刀具材料去除量为响应指标。通过实验设计,利用Minitab软件建立了聚晶金刚石材料去除量与激光工艺参数之间的回归方程,并对工艺参数进行了优化。实验结果表明,功率对材料去除量的影响最大,频率次之,重复次数影响最小,工艺参数之间的交互作用也影响着材料去除量。所建立的回归方程能够较好地反映聚晶金刚石材料去除量与激光工艺参数之间的关系。     

激光精密切割不锈钢薄板的工艺研究

采用Nd∶YAG脉冲激光器对不锈钢进行了精密切割。系统研究了工艺参数对切缝宽度和切缝质量的影响规律。结果表明,缝宽随激光功率密度、频率以及脉宽的增加而加大;提高激光输出重复频率,不仅有利于提高加工质量,而且可以增大切割速度,提高加工效率。在此基础上,导出了光斑重叠度和极限切割速度的计算公式,利用此公式估算的脉冲激光切割的极限速度与实验结果符合很好     

46MnVS5连杆裂解槽脉冲激光加工数值模拟研究

分析了激光切割连杆裂解槽的温度场特性及对工件材料的热影响,建立了脉冲激光热源加工裂解槽温度场模型,分析了数值模拟中材料的初始条件、网格划分和热物理特性。通过数值模拟不同激光加工参数(脉冲功率、脉冲频率、脉冲宽度和切割速度)的温度场分布,得出激光参数对46MnVS5连杆裂解槽几何尺寸(槽深、槽宽和张角)的影响规律,为激光加工参数对连杆裂解槽质量参数影响的实验研究提供理论参考依据。     

脉冲激光在SiCw/6061A1铝基复合材料焊接中的应用

采用脉冲激光进行诱导焊接SiCw／6061A1铝基复合材料,研究了激光功率、脉冲频率、表面处理状态等工艺参数对接头强度的影响。结果表明：激光功率是影响焊缝质量的主要因素,通过控制激光束输出功率可以有效抑制熔池中SiC晶须与基体铝合金的界面反应,成功地实现SiCw／6061A1铝基复合材料的连接。     

飞秒激光切割复杂形状石英器件的试验研究

为了从石英单晶薄片上切割分离出复杂形状的器件，进行了石英单晶薄片的飞秒激光基础试验。在50、100、200 kHz高重复频率下，试验研究了烧蚀孔径与激光参数的关系，从而分析计算得到在对应重复频率下纯石英的刻蚀阈值分别为3.73、3.45、3.2 J/cm2。然后，研究了飞秒激光的脉冲能量、扫描速度等加工参数对微槽加工质量的影响。结果表明，激光脉冲能量会显著改变加工微槽的表面形貌，扫描速度控制在3.5 mm/s附近时加工效果最优。最后，利用优化的工艺参数，在厚度0.45 mm的石英晶片上切出了谐振音叉类复杂形状器件，总体上达到了预期的质量要求。     

高频率皮秒激光微加工石英衬底铝膜效率

采用重复频率100 kHz下,输出功率为3.7 W的532 nm Nd:YAG皮秒激光器对石英衬底微米量级的铝膜进行了烧蚀,研究了脉宽为10 ps的激光单脉冲能量密度对烧蚀效率、光斑耦合率对烧蚀图形以及重复加工次数对加工精度的影响。单脉冲激光烧蚀实验证实,皮秒激光烧蚀铝膜可分为高能量密度烧蚀与低能量密度烧蚀两个区域。光斑耦合率对烧蚀深度影响较大,不易从理论角度控制烧蚀效率。为提高加工精度与验证求解烧蚀率的准确性,提出重复多次加工的方法。对比了高斯线性法与高斯线性修正法的求解烧蚀率的结果,证明了高斯线性修正法在扫描激光精细加工方面的优越性。利用高斯线性修正法求得的烧蚀效率,模拟了激光在不同光斑耦合率下烧蚀微槽的三维轮廓图。     

红外激光刻蚀微热管复合沟槽的工艺研究

为了得到红外激光在微热管铜基板表面刻蚀复合沟槽的过程中,不同激光工艺参量（激光重复频率、扫描速率、扫描次数）对复合沟槽尺寸和形貌的影响规律,采用单因素实验法进行了红外激光刻蚀微热管复合沟槽的工艺实验研究,确定了使用1064nm波长红外光纤激光器刻蚀微热管复合沟槽的合理工艺参量。结果表明,当激光重复频率为40kHz、扫描速率为150mm/s、扫描次数为25次时,红外激光刻蚀的复合沟槽能为微热管工质的回流提供较大的毛细压力。该研究对提高沟槽式微热管的传热性能具有参考意义。     

脉冲绿激光划切蓝宝石基片的工艺参量研究

为了提高划切蓝宝石的成品率和划切效率,研究了脉冲绿激光（波长532nm）的偏振性、脉冲激光能量、激光焦点位置、扫描速率、扫描次数等工艺参量对蓝宝石基片划切质量的影响。结果表明,脉冲绿激光划切蓝宝石基片时,扫描方向平行于入射面线偏振方向,焦点位置为负离焦50μm,可以获得良好的微划槽;脉冲激光能量增加,划槽深度和宽度增加;扫描速率增加,切槽深度减小,划槽宽度先增加后减小;扫描次数增加,划槽深度和宽度增加。这些结果对合理选择激光划切蓝宝石基片工艺参量以获得较好质量的刻槽有一定帮助。     

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。     

非常规激光加工技术的研究

常规激光加工技术是利用高温使材料熔化或气化而达到加工目的,但是常导致加工区域热影响区和微裂纹的影响.着重探讨了水导激光加工过程中的激光与液束耦合原理及加工效果,分析了体加热激光切割玻璃过程中的温度场和应力场,以及曲线切割和多层玻璃激光切割技术.针对两种非常规激光加工技术--水导激光加工和体加热激光切割玻璃技术,进行了理...     

脉冲光纤激光加工36MnVS4连杆裂解槽的研究

为了获得新材料36 MnVS4连杆裂解槽的最优切割质量,采用光纤激光器对36 MnVS4连杆进行了裂解槽激光加工的工艺研究,分析了离焦量、峰值功率、脉冲宽度、切割速度和脉冲频率对裂解槽几何尺寸的影响,通过激光共聚焦显微镜测量对比,研究不同激光工艺参数下裂解槽几何尺寸的变化规律。结果表明:负离焦能加工出质量更好的裂解槽;峰值功率、脉冲宽度、脉冲频率和切割速度对槽深和张角的影响较大,对槽宽和曲率半径的影响较小,但在裂解槽深度为0.5~0.6 mm时,张角在10°~25°的较小范围内变化。     

Investigation and modelling of hybrid laser-waterjet micromachining of single crystal SiC wafers using response surface methodology

A hybrid laser-waterjet micromachining technology was proposed to implement near damage-free and high-efficient micromachining of thermal-sensitive hard and brittle materials. A new material removal concept was used where a waterjet is applied off-axially to expel the “softened” elemental material by laser radiation and cool the material to eliminate thermal damages during the material removal process. The present study investigates the effect of process parameters and their interaction on the cutting depth, cutting width and the material removal rate in the hybrid laser-waterjet micromachining of single crystal SiC wafers. The analysis of variance (ANOVA) indicates that waterjet inclination angle, waterjet offset distance, nozzle stand-off distance, traverse speed of hybrid cutting head, average laser power and waterjet pressure are the significant terms on cutting depth, cutting width as well as material removal rate. The quadratic backward-eliminated regression models are developed using response surface methodology (RSM). The models show that the material removal ability and the material removal rate increase with the increased average laser power and decrease with the increased nozzle stand-off distance and waterjet pressure. Waterjet offset distance has a knee-point value on the machining results. Cutting depth and width decrease with the increased traverse speed of hybrid cutting head but material removal rate increases with the increased traverse speed when the traverse speed is smaller than a certain value. The turbulent water breaks down the laser optically and weakens its heating ability. The critical waterjet offset distance can also be changed since the interactive effect of the process parameters. The verification results show the models can perform predictions with acceptable errors. Moreover, as compared to laser dry ablation, the photographs of the machined surface and its 3D profile illustrate that hybrid laser-waterjet micromachining can obtain much deeper and wider groove with V-sharp cross-sectional profile. It can significantly reduce or even eliminate thermal damages such as heat-affected zone (HAZ) and re-solidified layer by using the hybrid laser-waterjet micromachining technology.     

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。     

陶瓷刀具表面微织构激光加工工艺的实验研究

较好的刀具表面微织构可以改善刀具摩擦磨损性能,提升刀具切削性能,延长刀具使用寿命。针对光纤激光在陶瓷刀具表面加工微织构的过程中,激光功率、频率、扫描速度和扫描次数对微沟槽尺寸和形貌的影响进行了实验研究。确定了使用1064 nm波长光纤激光器在陶瓷刀具表面加工微织构的合理参数。选用不同形貌微织构和无织构刀具进行摩擦磨损实验并进行对比。实验结果表明,微织构可以降低陶瓷刀具表面摩擦系数,提高其抗磨损性能。微织构沟槽深度或宽度较大时作用效果较差。     

光泽金属的激光精密刻蚀实验研究

采用266 nm 或355 nm 的紫外激光器可以对微小的金属薄膜器件直接进行激光精密加工。但是,目前紫外激光器的输出功率普遍较低,以至于还不能对大幅面、深尺度的光泽金属进行激光加工。为了克服光泽金属对大功率固体激光器输出的1064 nm 激光的高反射率和散热快问题,采用了优化谐振腔和扫描聚焦系统的光学方法,实现了激光单模运转,功率密度达到了1.592109W/cm2,由此也使得加工工件通过原子吸收激光能量的方式改变为通过金属中的自由电子的等离子体激射来吸收激光能量。在平均功率为50W、重复频率为500 Hz、焦斑直径小于20 m、脉冲宽度为80 ns、切割速度为10 mm/s 的加工条件下,对厚度为10 mm 的大尺寸紫铜板直接进行了激光精密刻蚀实验,切割的槽宽和槽深均为10010 m;槽间距为30015 m,均达到了初始设计的指标要求。