脉冲激光表面烧蚀微织构工艺与激光器系统研究

发布时间：2017-12-22 10:22

  本文关键词：脉冲激光表面烧蚀微织构工艺与激光器系统研究　出处：《江苏大学》2016年硕士论文　论文类型：学位论文

  更多相关文章： 激光微织构 Nd:YAG激光器 激光烧蚀 SPI工艺 等离子体

【摘要】：激光表面织构技术(LST)属于激光表面加工处理技术的一种,主要用于优化表面摩擦学性能为目的的表面微加工,减少零件表面的摩擦磨损,提高零件寿命,降低机械系统运行能耗。激光表面织构技术以其高灵活性、高效率、低成本、无接触加工及适用材料范围广等优异特性,而得到高度关注。为实现表面微织构的主动设计制造,深入揭示激光微加工机理,获得优化的激光工艺组合参数,本文开展了以下主要研究工作。首先,研究纳秒脉冲激光烧蚀金属机理。建立相应理论模型,用于描述纳秒脉冲激光与靶材的相互作用,包括靶材的温度场,靶材的熔化与气化过程,蒸气的密度、速度和温度场,等离子体的电离程度和各粒子的密度分布,以及等离子体对入射激光的吸收率。其次,针对微织构加工的激光参数要求,采用声光调Q模式和平凸型谐振腔,自主成功研制了一台激光微加工系统中的全固态Nd:YAG激光器。根据谐振腔稳区条件,计算了L1-L2的稳区分布,分析了凸面镜曲率半径R谐振腔稳定性的影响,并通过自洽条件计算了腔内光斑直径。分别测量了对激光器静态与动态输出功率、激光脉宽和输出光斑,测得Q开关最大的关断电流为20.6A,调Q效率达72.5%,脉宽范围100ns到250ns,光斑呈高斯分布,圆度为92%。再次,探讨了“单脉冲同点间隔多次(SPI)”工艺对激光微织构加工质量的影响。采用所研制的固体激光器在靶材表面进行激光微织构工艺实验,研究激光能量密度、脉冲个数、不同材料对微凹腔几何形貌参数的影响规律,及分析烧蚀所致表面等离子体对激光吸收率的影响。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。对比不同材料对微凹腔形貌尺寸的影响,发现较硬的铬具有较大的烧蚀阈值;灰铸铁中微量元素有利于增大微凹腔的尺寸。根据凹腔直径与激光能量密度之间的关系,得出45钢材料的烧蚀阈值为6.86J/cm2。文中还提出了一种等离子体吸收率的测量方法。最后,从试验和温度场模拟角度,分析对比了SPI工艺与同点连续多次工艺的特点及技术优势。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。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN248

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本文编号：1319253