脈沖激光表面燒蝕微織構(gòu)工藝與激光器系統(tǒng)研究.pdf

1、激光表面織構(gòu)技術(shù)(LST)屬于激光表面加工處理技術(shù)的一種，主要用于優(yōu)化表面摩擦學(xué)性能為目的的表面微加工，減少零件表面的摩擦磨損，提高零件壽命，降低機械系統(tǒng)運行能耗。激光表面織構(gòu)技術(shù)以其高靈活性、高效率、低成本、無接觸加工及適用材料范圍廣等優(yōu)異特性，而得到高度關(guān)注。為實現(xiàn)表面微織構(gòu)的主動設(shè)計制造，深入揭示激光微加工機理，獲得優(yōu)化的激光工藝組合參數(shù)，本文開展了以下主要研究工作。
　　首先，研究納秒脈沖激光燒蝕金屬機理。建立相應(yīng)理論模型

2、，用于描述納秒脈沖激光與靶材的相互作用，包括靶材的溫度場，靶材的熔化與氣化過程，蒸氣的密度、速度和溫度場，等離子體的電離程度和各粒子的密度分布，以及等離子體對入射激光的吸收率。
　　其次，針對微織構(gòu)加工的激光參數(shù)要求，采用聲光調(diào)Q模式和平凸型諧振腔，自主成功研制了一臺激光微加工系統(tǒng)中的全固態(tài)Nd:YAG激光器。根據(jù)諧振腔穩(wěn)區(qū)條件，計算了L1-L2的穩(wěn)區(qū)分布，分析了凸面鏡曲率半徑R諧振腔穩(wěn)定性的影響，并通過自洽條件計算了腔內(nèi)光斑直徑

3、。分別測量了對激光器靜態(tài)與動態(tài)輸出功率、激光脈寬和輸出光斑，測得Q開關(guān)最大的關(guān)斷電流為20.6A，調(diào)Q效率達(dá)72.5％，脈寬范圍100ns到250ns，光斑呈高斯分布，圓度為92%。
　　再次，探討了“單脈沖同點間隔多次(SPI)”工藝對激光微織構(gòu)加工質(zhì)量的影響。采用所研制的固體激光器在靶材表面進(jìn)行激光微織構(gòu)工藝實驗，研究激光能量密度、脈沖個數(shù)、不同材料對微凹腔幾何形貌參數(shù)的影響規(guī)律，及分析燒蝕所致表面等離子體對激光吸收率的影響。

4、結(jié)果表明：隨激光能量密度增加，微凹腔直徑呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系增加，而凹腔深度則隨之先增大后趨于平穩(wěn)，最后略微下降。作用脈沖個數(shù)對凹腔直徑影響不明顯，但凹腔深度隨之呈線性增加。對比不同材料對微凹腔形貌尺寸的影響，發(fā)現(xiàn)較硬的鉻具有較大的燒蝕閾值；灰鑄鐵中微量元素有利于增大微凹腔的尺寸。根據(jù)凹腔直徑與激光能量密度之間的關(guān)系，得出45鋼材料的燒蝕閾值為6.86J/cm2。文中還提出了一種等離子體吸收率的測量方法。
　　最后，從試驗和溫度場模擬角