不同脉宽纳秒激光致铝材损伤特性与打孔机理

发布时间：2019-10-14 08:16

【摘要】：为了获得纳秒激光脉宽对铝材的损伤特性,给纳秒激光金属加工的脉宽选择提供依据,采用面积推算法,利用光学显微镜、扫描电镜、表面轮廓仪等仪器,测试了37种脉宽纳秒激光(脉宽10ns~520ns,波长1064nm)对铝材的损伤阈值。研究了脉宽不变时激光脉冲数目对铝板的损伤规律,揭示了不同脉宽纳秒激光对铝板打孔的作用机理。结果表明,单脉冲损伤阈值与纳秒激光脉宽的平方根成线性关系。当脉冲个数增加时,材料的损蚀阈值呈现下降趋势;铝板打孔时,纳秒激光的脉宽越窄,对铝的损伤阈值越低;打孔过程中蒸发过程占主导,孔内壁烧蚀熔融物越少,孔圆度越好,孔口喷溅物越少,打孔质量越高。该结果可为纳秒激光金属加工的脉宽选择提供参考。
【图文】：

曲线,损伤阈值,脉冲宽度,影响规律

第41卷第3期娄德元不同脉宽纳秒激光致铝材损伤特性与打孔机理Fig.3Ｒelationshipbetweenpulseenergydensitylogarithmanddiametersquarewithdifferentpulsewidthsa—τ=145nsb—τ=100nsc—τ=60nsd—τ=33ns的纳秒激光对铝板的损伤阈值与脉宽的关系图。从图4可以看到，材料的损伤阈值受脉冲宽度的影响较大，其影响规律为:脉冲宽度越宽，材料的损伤阈值越大。之前有研究者在熔融石英上做过脉宽与损伤阈值的相关研究，研究发现，单脉冲损伤阈值与脉宽的平方根成正比［12］。这里，作者先将脉宽取平方根，结合损伤阈值结果，拟合计算发现，单脉冲纳秒激光对铝的损伤阈值y与脉宽τ的平方根成一定的线性关系，即:y=2．67+0．59x(x=τ0．5)，而非绝对的正比关系。Fig.4Ｒelationshipbetweendamagethresholdsand37pulsewidthsa—pulsewidthb—squarerootofpulsewidth2．2多脉冲的损伤阈值表1为多脉冲损伤阈值实验设计参量表。实验中选择脉冲宽度为30ns、脉冲数目分别为1，20，40，80，160，320，500的激光，设置重复频率为150kHz，脉冲数等于重复频率与持续时间的乘积，即设置不同的持续时间便得到不同的脉冲数。设置不同的功率能量密度、入射烧蚀材料铝，得到不同脉冲个数下的损伤直径的平方与激光能量密度的关系曲线。Table1Experimentparametersofmulti-pulsedamagethresholdNo．duration/snumberofpulseslaserfluence/(J·cm－2)11/150128．22，30．27，32．46，，34．47，36．6220/1502028．22，30．27，32．46，34．47，36．6340/1504028．22，30．27，32．46，34．47，36．6480/1508028．22，30．27，32．46，34．47，36．65160/15016028．22，30．27，32．46，34

形貌,孔口,位置图,能谱

愿髀隹硭猊蛭⒖椎目啄诒谥厝鄄愫?度进行测量，得到脉冲宽度与孔内壁烧蚀厚度的关系曲线图，如图9所示。可以看到，脉宽越大，孔内壁烧蚀越严重，熔融物越多。当脉宽τ=145ns时，孔内壁熔融物最多，说明在熔化蒸发过程中，熔化占主导，材料融化后，蒸发较少，待其冷却凝固后，留下了较多的熔融物，孔口会有一定的毛刺和喷溅物颗粒;脉宽τ=33ns时，孔内壁熔融物最少，说明在熔化蒸发过程中，蒸发占主导，待其冷却凝固后，留下的熔融物就较少，孔口的毛刺和喷溅物也会较少。Fig.9Meltinglayerthicknessvs．pulsewidth图10是孔口喷溅物形貌及其能谱位置图，由图可见，喷溅物有毛刺和颗粒。图11为孔表面毛刺和喷溅430
【作者单位】：湖北工业大学机械工程学院;
【基金】：湖北省教育厅科技研究计划资助项目(B2016051;Q20151408) 国家科技支撑计划资助项目(2015BAF20B03) 湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队计划资助项目(610112052) 东北大学轧制技术与连轧自动化国家重点实验室开放课题基金资助项目(2016001)
【分类号】：TN249

【参考文献】