飞秒激光微加工的系统建立及工艺研究

发布时间：2017-03-17 18:02

  本文关键词：飞秒激光微加工的系统建立及工艺研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：碳化硅(SiC)陶瓷等超硬材料因其独特的性能在制造微结构元件的模具领域有广泛应用；磨削作为目前最为可行的超硬材料精密加工手段，面临着砂轮磨损迅速以及非连续表面的内尖角难加工的问题。碳纤维增强树脂基复合材料在航空航天领域中有愈加广泛的应用，在目前针对该材料的切削所使用的方法中存在着出现毛刺、分层、热影响等问题。本文针对以上问题，提出了SiC陶瓷微结构的飞秒激光加工工艺方案，作为磨削前的半精加工以减少砂轮磨损；以及展开对碳纤维增强树脂基复合材料的飞秒激光切割工艺研究，探索这种新手段的切割性能。 本文设计并搭建了由光源单元、光路传输单元、三维平移台、辅助单元组成的飞秒激光微加工系统；设计了焦点位置调节的方案；基于VC++环境开发了系统的控制软件，实现对三维平移台与激光快门的控制。整个系统硬件与软件的实现保证了系统可以进行高精度、高重复性的加工。 本文分析了飞秒激光的扫描速度(v)、脉冲能量(P)对SiC材料去除的影响，在此基础上对加工三维微结构的参数进行优选；利用优选参数分别采用透镜聚焦和显微物镜聚焦两种方式对三维微结构进行加工；利用扫描电镜、轮廓仪等分析加工微结构的表面形貌和面形精度。结果表明，，两种聚焦方式对SiC进行微结构的最佳参数均在为v=1mm/s、P=10μJ附近，显微物镜聚焦方式获得的面形精度更高，但加工效率低；因此透镜聚焦方式适用于加工尺寸稍大、对面形精度要求不高的微结构，显微物镜聚焦方式适用于加工尺寸较小、对面形精度要求稍高的微结构。实验验证了飞秒激光微加工可作为超硬材料微结构的磨削加工前半精加工的可行性。 分别利用逐行扫描、逐层扫描的方式对碳纤维增强树脂基复合材料进行切割，分析激光功率、扫描速度、加工方式对切割深度、切缝倾角、切口特性及切割面表面形貌的影响。实验证明逐层扫描后方式更适合该材料的切割；获得切缝约为0.6mm，切深受功率变化最显著，最高切深和切缝垂直度在320mW、1mm/s的参数下获得，切深为2.5mm左右，切缝倾角7.5°左右，切深还可以通过增加每层的扫描行数继续增加；切口无毛刺或崩碎产生，切割面表面形貌均一平整，但切缝底部的切面上存在氧化和碳纤维裸露现象，表面粗糙度为1μm~1.5μm左右。
【关键词】：飞秒激光 碳化硅 微结构加工 碳纤维增强树脂基复合材料 切割
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TG665;TB332
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-16
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义8-9
• 1.2 国内外研究现状及分析9-15
• 1.2.0 飞秒激光微加工系统的研究9-11
• 1.2.1 飞秒激光微结构加工研究11-14
• 1.2.2 碳纤维增强树脂基复合材料的切割技术研究14-15
• 1.3 本文的主要研究内容15-16
• 第2章 飞秒激光微加工系统16-28
• 2.1 飞秒激光微加工理论16-18
• 2.1.1 飞秒激光的加工机理16-17
• 2.1.2 飞秒激光微加工的影响因素17-18
• 2.2 飞秒激光微加工系统的建立18-26
• 2.2.1 光源单元19
• 2.2.2 光路传输单元19-24
• 2.2.3 三维平移台24-25
• 2.2.4 辅助装置25-26
• 2.3 微加工系统的焦点调节方案26-27
• 2.4 本章小结27-28
• 第3章 飞秒激光微加工系统的软件设计28-34
• 3.1 软件总体功能的实现28-30
• 3.2 激光快门串口通信的实现30-31
• 3.3 三维平移台和激光快门的同步实现31-33
• 3.4 本章小结33-34
• 第4章 碳化硅的飞秒激光微加工工艺研究34-48
• 4.1 实验方案设计34-36
• 4.1.1 实验材料34
• 4.1.2 实验方法34-35
• 4.1.3 检测手段35-36
• 4.2 飞秒激光对 SiC 的烧蚀实验研究36-40
• 4.2.1 激光能量对碳化硅的烧蚀影响36-38
• 4.2.2 扫描速度对碳化硅的烧蚀影响38-40
• 4.2.3 辅助气体对碳化硅的烧蚀影响40
• 4.3 SiC 的典型三维微结构加工工艺研究40-46
• 4.3.1 微结构加工实验方案40-42
• 4.3.2 微结构的形貌分析42-46
• 4.3.3 实验结论46
• 4.4 本章小结46-48
• 第5章 碳纤维增强树脂基复合材料的切割工艺研究48-58
• 5.1 实验方案设计48-49
• 5.2 飞秒激光对复合材料的烧蚀实验研究49-52
• 5.3 复合材料的飞秒激光切割实验研究52-57
• 5.3.1 逐行扫描方式对复合材料切割性能的影响52-54
• 5.3.2 逐层扫描方式对复合材料切割性能的影响54-57
• 5.4 本章小结57-58
• 结论58-59
• 参考文献59-63
• 攻读学位期间发表的学术论文63-65
• 致谢65

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 ;激光微加工应用潜力的调查[J];激光与光电子学进展;1999年01期

2 蒋毅坚,荆涛,陈涛;采用显微拉曼光谱技术检测激光微加工质量[J];光散射学报;2003年01期

3 杨雷,姚建铨,裴红星,刘晓e

本文编号：253230