静态化学液辅助激光加工Custom455不锈钢工艺研究

发布时间：2020-10-22 12:41

　　 激光加工因其具有高精、高效加工的特点被广泛应用于医疗、航空等领域;化学加工不会产生热应力,并且加工质量好,因此将两种方法结合充分发挥激光的热作用与化学液的冷却腐蚀作用,使得该化学液辅助激光加工的方法具有非常广泛的应用前景。然而,由于化学液辅助激光加工涉及到的工艺参数众多,对该复合加工的方法的研究尚在探索阶段。因此为进一步探究化学液辅助激光加工的复合作用,需要对加工技术的机理进行深入研究。首先本文分析了激光加工技术的研究现状,在此基础上研究分析了静态溶液辅助激光加工过程相互作用的机理,探讨了影响溶液辅助激光加工的主要因素。运用ABAQUS对液体环境中激光单线扫描不锈钢表面温度场分布进行模拟,分析不同时刻温度场的分布情况。其次,将仿真结果作为参考,进行了H_2SO_4溶液辅助激光凹槽刻蚀的实验。为研究化学液浓度和激光器参数对不锈钢表面刻蚀凹槽的影响规律,采用线扫描填充的方法进行加工。实验方案采用了目前研究较少的静态化学液辅助激光加工的方法,采用单因素实验法对影响加工质量的各因素进行研究,并对加工后的表征参数(深度、宽度和表面粗糙度)进行分析。结果表明:激光单线烧蚀过程中,H_2SO_4溶液浓度越大,加工区域宽度越小,边缘直线度越好,但H_2SO_4溶液浓度高于10%后变化不大,溶液浓度对材料去除的深度影响不大。而且,溶液浓度增加会提高线型加工边缘直线度;在填充扫描加工凹槽过程中发现,在一定参数范围内,通过增大功率或者降低扫描速度都能增加固定点受到辐射的激光能量,增加凹槽深度,但同时会影响凹槽底部的粗糙度,使底部形貌变差;同时,影响线重叠率的扫描间隔、扫描次数以及累进角度改变时都会影响刻蚀深度,并且深度越深凹槽底部粗糙度越差。因此对不锈钢表面凹槽刻蚀加工可采用快速、多次加工的方法实现。最后,将液体介质换成浓度为10%的H_2SO_4溶液,进行了H_2SO_4溶液辅助激光抛光不锈钢表面的正交实验研究。基于在H_2SO_4溶液中的刻蚀效应的研究规律,采用正交试验法分析激光加工工艺参数对抛光表面粗糙度的影响。结果表明:H_2SO_4溶液辅助激光抛光的不锈钢表面粗糙度可降低70%,扫描速度对抛光表面粗糙度影响最显著。此时最佳工艺参数为:扫描速度为11mm/s、扫描次数为6次、激光功率为14W、扫描间隔为0.04mm,抛光后可使表面粗糙度降到0.51μm,加工效果更好。本文的研究结果对化学液辅助激光刻蚀、抛光Custom455不锈钢质量具有一定的的参考价值,对后续实验改进加工工艺参数,提高加工效果具有重要意义。
【学位单位】：青岛理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG665
【部分图文】：

青岛理工大学工程硕士学位论文体对激光能量的吸收程度的因素有激光波长、液体环境、液面到基材表面高度、体流速等，这些因素均是在液体环境中加工必须考虑的因素。（1）水下激光加工研究现状水下激光加工的方法是将材料浸没在水中，材料上表面有一定深度的水层，光束透过水层对被加工材料进行加工。几种常见的水下激光加工的实验装置的意图如图 1-1 所示[12-15]。

青岛理工大学工程硕士学位论文作用和流动性可以减少孔口熔渣的堆积。（3）化学液辅助激光技术（Chemical assisted laser machining）[32]最开始由英国曼切斯特理工大学激光加工中心的 L.Li 等人提出的。他们分别用 523n的二极管泵浦 Nd:YVO4 激光器和 1064nm 的 Nd:YAG 激光器对 316L 不锈钢料进行了化学液辅助激光加工的研究，其加工原理是将试件材料浸入中性盐溶液NaCl 溶液中，激光束通过透镜聚焦到试件表面，利用激光的热-力学作用去除材料表面，去除的同时利用激光与中性盐溶液的热化学作用去除重铸层，图 1-2 为化学液辅助激光切割与传统激光切割的效果对比。通过对比可以发现，在空气中激光加工会形成厚的热影响区和重铸层，而化学液辅助激光切割的热影响区和重铸层都很小，相较而言，大大提高了加工质量。

（a）空气中打孔 （b）中性盐溶液中打孔图 1-3 空气中打孔与中性盐溶液中打孔比较1.3 本文研究内容及意义1.3.1 研究意义基于上述研究发现，诸多国内外专家学者对液体环境中的激光加工主要是通过以下几种方式提高加工质量：通过改变激光器的参数如脉宽、频率、能量频率等提高加工质量；通过使用建立数学模型和物理模型等为实验研究提供有力的指导；通过改变水辅助激光加工的方式如水射流等方式提高加工质量。这些研究都是极具参考价值的。但是也出现了一些问题：比如增加了操作的复杂性，增加设备成本等。目前对于静态溶液辅助激光加工主要针对陶瓷等脆硬性材料，而对不锈钢等材料研究较少。因此，本文将通过分析溶液辅助激光加工不锈钢材料机理
【参考文献】

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本文编号：2851612