纳秒脉冲激光标刻Al99.7铝机理研究

发布时间：2020-11-20 16:45

　　 牌号为Al99.7的重熔用铝锭是铝及其合金产品生产过程中重要的原材料。铝锭生产过程中每垛铝锭需粘贴内含生产信息条码的标签纸,这种方式成本高、浪费大。使用脉冲激光可清晰的将标签所包含的信息直接标刻于铝锭表面成本低、无浪费成为传统生产方式的替代选择。目前,普遍认为纳秒级脉冲激光材料损伤主要通过热作用实现,在热能作用下能够使铝材表面发生复杂的物理化学变化。调节脉冲激光器控制参数能够在Al99.7铝表面获得从白、灰至黑不同颜色深度的图形,但是脉冲激光标刻Al99.7铝表面着色的关键因素未知。鉴于此,本文通过实验结合理论分析的方法对纳秒脉冲激光标刻Al99.7铝中的关键问题进行了研究,主要涉及以下几个方面:(1)根据脉冲激光工作原理对激光主要控制参数进行了整合。整合后的激光作用参数主要包含单脉冲能量、扫描线间距和脉冲重叠次数。通过单因素实验获得了激光作用参数对Al99.7铝表面标刻效果的影响规律。(2)为揭示激光Al99.7铝标刻后显色的关键因素,通过在扫描电子显微镜下观察标刻表面微观形貌,使用能谱分析仪对标刻表面成分进行分析,以及使用分光光度计对样本表面光谱反射率进行了测定。发现脉冲激光能量诱导材料表面产生的微纳米结构能够不同程度的降低可见光范围光谱反射率,使标刻图形呈现不同的颜色深度。脉冲激光标刻Al99.7铝表面形成的微纳米结构是使标刻图形显色的关键因素。(3)通过建立脉冲激光材料三维瞬态热传导模型,使用数值模拟的方法获得了不同控制参数下的材料表面温度场。发现纳秒脉冲激光作用于材料表面时连续脉冲下的热累积作用较小,纳秒脉冲激光对材料的损伤主要发生在单脉冲作用过程中。最后结合温度场模型对材料表面的微观结构形成进行了分析解释。
【学位单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG665
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
    1.1 论文研究背景
    1.2 激光标刻技术国内外研究现状
        1.2.1 激光标刻着色机理研究现状
        1.2.2 脉冲激光作用下的温度场研究现状
    1.3 本文研究内容及其意义
    1.4 章节安排
第2章 激光参数对标刻效果的影响
    2.1 引言
    2.2 脉冲激光打标系统
    2.3 脉冲激光作用参数分析
    2.4 激光参数对AI99.7铝标刻效果的影响
        2.4.1 实验方案
        2.4.2 实验结果分析
    2.5 本章小结
第3章 脉冲激光着色Al99.7铝研究
    3.1 引言
    3.2 实验方法
    3.3 实验结果及分析
        3.3.1 材料表面微观结构及成分分析
        3.3.2 标刻表面光学特性分析
    3.4 本章小结
第4章 脉冲激光标刻热传导模型
    4.1 引言
    4.2 激光作用热流理论
        4.2.1 激光与金属材料作用过程
        4.2.2 热传导模型
        4.2.3 热源模型
        4.2.4 模型初始条件和边界条件
    4.3 材料热物理参数
    4.4 脉冲激光热传导有限元分析
        4.4.1 热传导有限元理论基础
        4.4.2 几何模型及网格划分
        4.4.3 有限元分析初始条件和边界条件
        4.4.4 加载与求解
        4.4.5 从结果集进行后处理
    4.5 模型的验证
    4.6 本章小结
第5章 温度场模拟结果分析
    5.1 连续脉冲作用下表面温度场分布
    5.2 单脉冲能量对表面的温度场的影响
    5.3 本章小结
总结与展望
    总结
    展望
参考文献
致谢
附录A 攻读学位期间所发表的论文

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本文编号：2891708