水辅助激光微细加工技术进展
发布时间：2021-03-01 00:02
介绍了水辅助激光加工技术的研究现状,系统总结了水辅助激光加工技术的产生原因以及包含的主要技术内容.针对每种水辅助激光加工技术,详细介绍了国内外研究者在理论与实验方面的主要研究成果,并对不同水辅助激光加工技术之间的技术差异和适用范围进行了论述.水辅助激光微细加工技术在解决激光加工热损伤导致的精度损失、效率降低等方面具有明显的效果,各种形式的水辅助装置以及组合技术也为类似工程问题解决方案的拟定提供了参考价值.
【文章来源】：哈尔滨工业大学学报. 2020,52(07)北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
水膜下进行XeCl准分子激光加工的实验装置[36]
传统激光加工是通过热效应以及其他作用使材料熔化、汽化或化学分解,实现材料去除. 因为激光加工是非接触加工,所以不存在刀具磨损问题,且加工过程清洁无污染[6]. 但除超短脉冲激光(脉宽<10 ps)是通过材料的多光子吸收作用在极短时间内实现材料去除,基本无热效应外,其余激光大多表现出明显的热效应[7], 使激光加工具有一定的局限性,加工时会产生大范围的热影响区,影响加工区域的应力分布,从而容易产生裂纹[8]. 并且如果不采取额外的措施将熔化的材料带走,已经去除的材料极易重新固结在加工点周围,形成难以去除的重铸层[9-11]. 这些重铸层一方面降低了激光加工的精度,使得加工边缘不规则;另一方面会对后续激光束起到散射和阻挡的作用,从而降低激光烧蚀效率[12-13]. 此外,有些材料例如硅、石英等在激光加工时会由激光诱导产生周期性的表面自组织结构,如图1所示[14]. 这些结构的主要成因与微气泡、重铸微粒以及激光的极化作用等有关,虽然在特定应用背景下已有学者利用这种激光诱导现象实现自组织结构的加工,但对大多数激光加工情况,这种自组织结构会降低加工表面质量.综上所述,激光加工的热效应和诱导效应等与材料表面的相互作用带来了重铸层、裂纹以及自组织结构等诸多问题,这些问题严重影响了激光加工质量,导致直接利用激光烧蚀已经越来越无法满足高质量微细加工要求. 因此,发展一种能有效解决上述问题的新型激光加工技术变得极为重要,而水辅助激光加工技术正是这样一种可以弥补传统激光加工劣势的新型复合微细加工技术.
但是,这种厚度较大的水层在激光的作用下会产生气泡,从而引起激光的散射和折射,并会吸收部分激光能量以及产生白光连续的现象,严重干扰激光加工的稳定性,并大幅降低激光的光束质量和能量密度[18],直接影响了水下激光加工的稳定性和可控性,导致不可预测及不可确定的材料去除过程,从而无法进一步提高激光加工质量.保证水辅助激光加工稳定性的两个关键要素:1)水层厚度要尽量小,以降低水层对激光光束的干扰程度. 2)水层要具有一定的流动速率以将产生的热量以及碎屑带走. 基于此,后续出现的水辅助激光加工技术都在一定程度上具备了这两个关键要素,很好地解决了激光加工过程中的热效应及诱导效应等带来的诸多问题.
【参考文献】：
期刊论文
[1]新型水导激光水-气缩流机理分析及初步加工试验验证[J]. 张正,张广义,张文武,于爱兵,郭春海. 应用激光. 2019(02)
[2]激光制备超疏水表面研究进展[J]. 杨焕,曹宇,李峰平,薛伟. 光电工程. 2017(12)
[3]单晶硅水导/水辅助激光切割加工对比研究[J]. 孙冬,王军华,韩福柱. 应用激光. 2016(06)
[4]表面结构化砂轮磨削加工技术研究进展[J]. 郭兵,金钱余,赵清亮,吴明涛,曾昭奇. 哈尔滨工业大学学报. 2016(07)
[5]连杆预制裂纹槽激光加工工艺参数[J]. 杨慎华,张志强,寇淑清. 哈尔滨工业大学学报. 2009(01)
[6]水导激光微细加工中激光与水束光纤耦合技术[J]. 李灵,杨立军,王扬,刘备,王哲. 光学精密工程. 2008(09)
[7]激光加工技术应用的发展及展望[J]. 江海河. 光电子技术与信息. 2001(04)
博士论文
[1]水导激光微细加工技术研究[D]. 李灵.哈尔滨工业大学 2008
硕士论文
[1]SiCp/Al复合材料的水导激光加工技术研究[D]. 谭淞年.哈尔滨工业大学 2014
[2]KrF激光微细加工Al2O3陶瓷机理及试验研究[D]. 祝超.大连理工大学 2010
[3]基于微水导激光加工技术的研究[D]. 刘备.哈尔滨工业大学 2008
[4]高质量激光打孔技术的研究[D]. 辛凤兰.北京工业大学 2006
本文编号：3056647
【文章来源】：哈尔滨工业大学学报. 2020,52(07)北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
水膜下进行XeCl准分子激光加工的实验装置[36]
传统激光加工是通过热效应以及其他作用使材料熔化、汽化或化学分解,实现材料去除. 因为激光加工是非接触加工,所以不存在刀具磨损问题,且加工过程清洁无污染[6]. 但除超短脉冲激光(脉宽<10 ps)是通过材料的多光子吸收作用在极短时间内实现材料去除,基本无热效应外,其余激光大多表现出明显的热效应[7], 使激光加工具有一定的局限性,加工时会产生大范围的热影响区,影响加工区域的应力分布,从而容易产生裂纹[8]. 并且如果不采取额外的措施将熔化的材料带走,已经去除的材料极易重新固结在加工点周围,形成难以去除的重铸层[9-11]. 这些重铸层一方面降低了激光加工的精度,使得加工边缘不规则;另一方面会对后续激光束起到散射和阻挡的作用,从而降低激光烧蚀效率[12-13]. 此外,有些材料例如硅、石英等在激光加工时会由激光诱导产生周期性的表面自组织结构,如图1所示[14]. 这些结构的主要成因与微气泡、重铸微粒以及激光的极化作用等有关,虽然在特定应用背景下已有学者利用这种激光诱导现象实现自组织结构的加工,但对大多数激光加工情况,这种自组织结构会降低加工表面质量.综上所述,激光加工的热效应和诱导效应等与材料表面的相互作用带来了重铸层、裂纹以及自组织结构等诸多问题,这些问题严重影响了激光加工质量,导致直接利用激光烧蚀已经越来越无法满足高质量微细加工要求. 因此,发展一种能有效解决上述问题的新型激光加工技术变得极为重要,而水辅助激光加工技术正是这样一种可以弥补传统激光加工劣势的新型复合微细加工技术.
但是,这种厚度较大的水层在激光的作用下会产生气泡,从而引起激光的散射和折射,并会吸收部分激光能量以及产生白光连续的现象,严重干扰激光加工的稳定性,并大幅降低激光的光束质量和能量密度[18],直接影响了水下激光加工的稳定性和可控性,导致不可预测及不可确定的材料去除过程,从而无法进一步提高激光加工质量.保证水辅助激光加工稳定性的两个关键要素:1)水层厚度要尽量小,以降低水层对激光光束的干扰程度. 2)水层要具有一定的流动速率以将产生的热量以及碎屑带走. 基于此,后续出现的水辅助激光加工技术都在一定程度上具备了这两个关键要素,很好地解决了激光加工过程中的热效应及诱导效应等带来的诸多问题.
【参考文献】：
期刊论文
[1]新型水导激光水-气缩流机理分析及初步加工试验验证[J]. 张正,张广义,张文武,于爱兵,郭春海. 应用激光. 2019(02)
[2]激光制备超疏水表面研究进展[J]. 杨焕,曹宇,李峰平,薛伟. 光电工程. 2017(12)
[3]单晶硅水导/水辅助激光切割加工对比研究[J]. 孙冬,王军华,韩福柱. 应用激光. 2016(06)
[4]表面结构化砂轮磨削加工技术研究进展[J]. 郭兵,金钱余,赵清亮,吴明涛,曾昭奇. 哈尔滨工业大学学报. 2016(07)
[5]连杆预制裂纹槽激光加工工艺参数[J]. 杨慎华,张志强,寇淑清. 哈尔滨工业大学学报. 2009(01)
[6]水导激光微细加工中激光与水束光纤耦合技术[J]. 李灵,杨立军,王扬,刘备,王哲. 光学精密工程. 2008(09)
[7]激光加工技术应用的发展及展望[J]. 江海河. 光电子技术与信息. 2001(04)
博士论文
[1]水导激光微细加工技术研究[D]. 李灵.哈尔滨工业大学 2008
硕士论文
[1]SiCp/Al复合材料的水导激光加工技术研究[D]. 谭淞年.哈尔滨工业大学 2014
[2]KrF激光微细加工Al2O3陶瓷机理及试验研究[D]. 祝超.大连理工大学 2010
[3]基于微水导激光加工技术的研究[D]. 刘备.哈尔滨工业大学 2008
[4]高质量激光打孔技术的研究[D]. 辛凤兰.北京工业大学 2006
本文编号：3056647
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