碳纤维增强复合材料水导激光加工实验研究

为了研究水导激光加工关键工艺参数对碳纤维增强复合材料(CFRP)沟槽截面形貌与热影响区的影响,利用水导激光加工设备设计单因素实验探究了激光功率、水射流压力、进给速度及激光重复频率四个关键工艺参数对沟槽截面形貌以及热影响区的影响规律,分析了沟槽截面形貌和热影响区形成机理。实验结果表明：激光功率对沟槽烧蚀深度和热影响区的影响最大,水射流压力对沟槽烧蚀宽度的影响最大,进给速度和激光重复频率对沟槽烧蚀深度和宽度的影响不大,对热影响区有较大影响。此外,发现沟槽截面去除区呈V字形,热影响区呈锯齿形状。通过单因素方法分析得到了较好的沟槽截面形貌,其沟槽截面烧蚀深度为772.8μm,烧蚀宽度为897.7μm,铺设方向为90°的碳纤维层热影响区为326.5μm,铺设方向为0°的碳纤维层热影响区为102.4μm。     

碳纤维增强复合材料水导激光切割试验研究

采用正交试验方法对影响水导激光切割碳纤维增强复合材料（CFRP）的关键工艺参数进行了深入研究,得出了进给速度、水射流速度、脉冲频率和激光功率对切割CFRP的影响规律,并用直接对比法和极差分析法所得最优参数进行单次划槽切割对比。研究结果表明：在极差分析法所得最优参数下切割CFRP时,切缝深度增大3.2%、切缝宽度减小9.2%、切缝锥度减小11.8%、线粗糙度减小40.2%。通过与干式激光加工方法对比发现,水导激光加工技术在切割CFRP方面优势明显,由于水射流的冲刷和冷却作用,材料切割表面几乎无热影响区和纤维拔出。另外,采用正交试验所得最优工艺参数实现了4 mm厚度CFRP的无锥度切割。     

双层碳纤维复合板材激光切割试验研究

在单层碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP)板材激光切割试验与模拟的基础上,针对双层多角度碳纤维复合材料板材的激光切割质量问题,开展了光纤激光切割双层CFRP板材工艺试验,通过超景深显微观测研究了多种双层CFRP碳纤维铺设方向以及激光功率对切割质量的影响,从切缝宽度与锥角、层间热影响区分布以及裂纹产生等表征切割质量的参数变化规律中,找到改善切割区域质量,减小热影响区的同时减少裂纹产生的方法。结果表明,90°-0°以及45°-0°两种板材上下表面形成的切缝宽度差值最小,可达1.70μm。热影响区宽度随激光扫描方向与碳纤维铺设方向夹角减小而减小。热影响区边界在双层结合面间根据碳纤维角度变化发生突变,0°与90°结合面处突变最大为43.1%,且随功率降低,突变值也线性降低。45°层和90°层会产生由切割表面延伸至内部的裂纹,90°层裂纹最长最深。激光功率由60 W降低至15 W时,裂纹由316.2μm减小至149.6μm。综合双层CFRP激光切割的试验研究为改善多层纤维整板激光切割质量及研究提供试验依据。     

激光辅助水射流加工砷化镓晶片微槽的实验研究

对干激光、低压水射流辅助激光和激光辅助水射流技术加工砷化镓晶片微槽进行了对比实验，结果表明，激光辅助水射流技术适合加工砷化镓材料，它能够加工出晶片表面无污染、大深度、小热影响区宽度、大深宽比的高质量微槽，加工表面微观形貌均匀、微裂纹少，优于其他两种加工方式。实验研究了激光辅助水射流加工砷化镓晶片微槽的切割性能，结果表明，加工参数(激光脉冲能量、水射流压力、加工速度、水射流倾斜角度、焦平面位置和加工次数)对微槽深度、微槽宽度和材料去除率具有显著影响。微槽深度、微槽宽度和材料去除率随着激光脉冲能量的增大而增大，随着水射流压力的增大而减小，材料去除率随着加工速度的增大而显著增大。     

水射流引导激光制造Inconel 718合金沟槽结构的研究

为了探究水射流引导激光(WJGL)技术在Inconel 718合金上制造沟槽结构的规律特征,在自行研发的水导激光设备上设计并进行了多组单因素实验,分析了水射流速度和激光能量密度对沟槽结构的深度、宽度以及毛刺尺寸的影响规律。实验结果表明,激光能量密度对沟槽结构尺寸的影响程度要高于水射流速度,在喷嘴孔径固定不变的条件下,激光能量密度和水射流速度对沟槽结构宽度的影响很小。采用孔径为0.5 mm的喷嘴,当水射流速度固定为60 m/s,激光功率密度为40 J/cm²时,获得最大沟槽平均深度为523μm;当激光能量密度为10 J/cm²时,获得最窄沟槽平均宽度为403μm;当激光能量密度为40 J/cm²时,获得最小毛刺平均尺寸为54μm。根据理论分析得出,水导激光技术去除Inconel 718合金的机制是通过激光烧蚀并熔化材料,水射流将熔融物冲刷去除。     

车用CFRP脉冲超皮秒激光切割参数优化及质量分析

依次将激光波长设定在523、785和1 064 nm这3种条件下,对碳纤维复合材料（CFRP）开展切割测试,计算得到切缝的宽度与深度尺寸,并对试样进行微观组织表征,对CFRP激光加工过程的作用机理进行分析。研究结果表明：经比较不同波长,523 nm激光的波长更短,能够产生很高能量的单光子,获得了最平整的切割截面,表现出最优的切割性能。随着扫描速度的提高,形成了更小的热影响范围,降低单位面积的注入能量。提高激光功率后,上切缝宽度与深度增大,促进了侧向与纵向发生更大程度的燃烧,形成更宽与更深的切缝,激光对材料造成了更强烈的作用,扩大了热损伤区。     

YG8硬质合金表面沟槽织构的制备及其减摩特性

采用光纤激光加工设备在YG8硬质合金表面加工出沟槽织构,研究了激光加工参数对织构尺寸及形貌的影响,得到最佳激光加工参数;采用最佳激光加工参数在硬质合金表面加工出4种不同方向的正弦型沟槽织构,研究了干摩擦条件下织构的减摩特性。结果表明:随着激光功率、扫描次数的增加或扫描速度的减小,沟槽织构尺寸增大,但过高的激光功率或过多的扫描次数导致织构底部粗糙;最佳激光加工参数为激光功率40W,扫描速度100mm·s~(-1),扫描次数200次,此时沟槽织构表面形貌较好,织构宽度为160μm,深度为15μm;在试验载荷为2N、滑动速度为20mm·s~(-1)时,正弦中心线与摩擦方向成0°的正弦型沟槽织构的减摩效果优于正弦中心线与摩擦方向成30°,60°,90°的织构,且摩擦因数比光滑试样的降低了25%。     

ZrO_2陶瓷生坯表面微织构制备工艺的研究

通过冷等静压技术制备Zr O_2陶瓷生坯,并利用脉冲激光在陶瓷生坯表面制备微织构沟槽。探究激光参数对表面微织构质量的影响,并研究烧蚀区域的热影响区和激光烧蚀表面的微观形态变化。实验结果表明:通过激光加工可以在Zr O_2陶瓷生坯表面加工出深度30-50μm、宽度15-50μm质量较好的微织构沟槽;激光参数对表面加工质量有较大的影响,激光频率低于40Hz、功率低于6W和扫描速度高于200mm/s能够获得较好的表面质量;当激光频率高于60Hz、功率高于10W和扫描速度低于150mm/s时,在激光烧蚀表面容易形成烧蚀层,分析得知烧蚀层是由于在激光高温照射下Zr O_2颗粒的熔化和再凝固形成的。     

光纤激光微加工钕铁硼工艺特性研究

为寻求一种新型高效的钕铁硼微加工手段,探究了光纤激光刻蚀1.5 mm厚的钕铁硼工艺实验,分析了各工艺参数对刻蚀深度、沟槽表面形貌和热影响区的影响规律。结果表明,刻蚀深度随激光功率的增大而增大,当激光功率为12 W时,深度增加到120.1μm,随后其增长趋势逐渐趋于平缓。较低的激光频率,能获得较大的刻蚀沟槽深度,最大可达149.3μm,但沟槽边缘形貌变差。适宜的低速刻蚀,不仅能获得较深的沟槽,而且还能保证材料去蚀量的同时,获得较好的边缘形貌和较小的热影响区。扫描次数增大到6次时,激光深度增大到139.5μm,此时的沟槽槽壁挂渣最少,边缘形貌最佳。     

硬质合金刀具表面微结构的激光加工研究

硬质合金刀具常用来加工难加工材料,通过刀具表面织构化技术可以提高硬质合金刀具的耐磨性和加工性能。激光加工技术作为一种快速非接触自动化加工技术,可以在硬质合金刀具表面上加工出微结构。本文主要研究平均功率、扫描速度、脉冲频率、离焦量、扫描次数这五个工艺参数对硬质合金刀具微结构尺寸及形貌的影响,从而选定最优的激光加工工艺参数。实验结果表明:随着平均功率的增大,微沟槽的深度和宽度都在增加,但功率过大导致严重烧蚀使底侧面形貌不平整;扫描速度和脉冲频率的增加都会使得微沟槽的深度和宽度呈现减小的趋势,过大的扫描速度使得底面形貌不连续,随着脉冲频率和扫描次数的增加,沟槽底面形貌变得平整;离焦量从0mm变化到-1. 2mm时,微沟槽的宽度缓慢增大,深度则先增大后减小,底面形貌由连续变成稀疏的孔洞。通过优选出的激光加工硬质合金刀具工艺参数,制备出了良好的刀具表面单一型和混合型微结构。     

高速水射流特种精密加工技术

高速水射流特种加工是利用具有很高动能的高速(超音速)水射流束来冲蚀材料,从而实现材料切削,属于高能束加工范畴,是一种可与激光、等离子体、电子束加工方法媲美的新型切割加工工具.水射流切割无(机械)接触,适应性好、切割表面精度高、切缝窄、材料损耗少、清洁无污染,配合数控执行机构可精确切割加工任意复杂形状工件.另一方面,水射流具有介质成本低,、清洁、环境友好,而且对被加工材料无热损伤(被切割材料温度小于100℃)等优点,在许多材料的切割加工、表面处理中,水射流具有其独特的优越性.高速水射流尤其适用于高硬度、高脆性难加工材料、复合材料、钢筋混凝土、陶瓷、石材等的切割加工.     

碳纤维复合材料激光切割实验研究

为了研究激光切割参数对碳纤维复合材料(CFRP)切割表面质量的影响,利用Nd:YAG固体毫秒脉冲激光器,对碳纤维复合材料进行了激光切割实验。通过对普通碳纤维复合材料以及增加炭黑颗粒碳纤维复合材料进行激光切割,获得了相应的碳纤维复合材料的切割表面质量,并对激光切割过程产生的热影响区进行了分析。实验结果表明,普通碳纤维复合材料激光切割后存在严重的层离现象,同时切割面会产生裂纹,影响碳纤维复合材料的抗疲劳性能;碳纤维复合材料增加炭黑颗粒后进行激光切割,能够获得良好的切割质量,切割面无裂纹以及无层离现象,切割部分容易分离,有效改善其激光切割性能。     

GaAs材料解理加工分子动力学分析及工艺实验

针对Ga As基半导体激光芯片谐振腔面的超精密解理制造技术需求,开展GaAs材料解理加工分子动力学仿真及加工工艺实验研究。首先建立Ga As材料划片过程的分子动力学模型,研究[100]和[110]晶向的表面微观形貌及亚表面损伤深度,分析材料各向异性对划片形貌的影响机制;然后开展解理工艺实验对MD模型进行了验证,并分析解理面形貌的变化情况。仿真结果表明：相比于[100]晶向,[110]晶向上最大损伤宽度、划片宽度和亚表面损伤深度平均值分别降低5.23%、3.98%和2.61%,沿该晶向所得划片质量更优,此外最大损伤宽度、划片宽度和亚表面损伤深度均随划片深度增加而增加,而划片速度对Ga As表面形貌及亚表面损伤影响较小;通过工艺实验验证了MD仿真结果,并确认[110]为Ga As最佳解理加工晶向。     

皮秒脉冲隐形切割碳化硅晶圆实验研究

为了实现高速度切割碳化硅（SiC）晶圆,采用自行研制的高能量皮秒脉冲光纤激光器进行了隐形切割实验。依据切片的截面形貌、表面热损伤区和边缘直线度,分析了皮秒激光器的切割结果,并探究了单脉冲能量和扫描速度对切片质量的影响。结果表明,当使用中心波长为1030 nm、重复频率为100 kHz、单脉冲能量为20 μJ、脉冲宽度约为100 ps的皮秒脉冲隐形切割360 μm厚度的SiC晶圆时,切片的质量能够满足实际应用要求,且激光的扫描速度可达400 mm/s,相应的切割速度为44.44 mm/s,高于其他相关报道。     

微细磨料水射流切割技术的研究进展

产品小型化和加工过程微型化是现代制造加工业的发展趋势,为适应微器件的精加工,在常规磨料水射流切割技术基础上,微细磨料水射流切割技术逐渐改进和发展起来了。微细磨料水射流直径在1~100 μm之间,比常规磨料水射流直径(500~1200 μm)小一个数量级,其割缝宽度、表面质量已达到激光切割的加工水平。微细磨料水射流特别适合对金属、陶瓷、半导体以及高分子聚合物等难加工的硬脆材料进行微细加工,是一种具有广阔应用前景的全新微型加工技术。为了解该项技术的最新发展情况,该文介绍了微细磨料水射流的特点、射流的生成方式及切割机理,以及影响切割性能的主要参数和部分工业应用实例,最后提出了微细磨料水射流切割技术有待深入研究的问题和今后的发展趋势。     

不锈钢板的CO2激光切割工艺研究

实验用CO2激光切割厚0.8mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢板。研究了激光功率、辅助气体类型及压力、切割速度对切割质量的影响。实验显示提高切割速度能降低切缝宽度和切口横截面的表面粗糙度;而提高激光功率和氧气压力,切缝宽度也会随之提高,切口横截面更粗糙。功率650~700W、氧气压力0.3~0.5MPa、切割速度3.5~4.5m/min时切割质量最好。另外发现功率在780~1450W,氮气压力低于0.8MPa不能得到良好的切割质量。     

磨料水射流切割石材加工表面质量的试验研究

文中对高压磨料水射流切割石材的加工表面质量进行了试验研究,分析了水射流压力、靶距、切割速度和磨料流量对加工表面质量的影响。结果表明:当水射流压力增大时,光滑区切割深度增大,而表面粗糙度先减小后增大;当靶距增加时,表面粗糙度增大,而切割光滑区切割深度减小;当切割速度增加时,表面粗糙度增大,而光滑区切割深度迅速减小;当磨料流量增加时,表面粗糙度减小,而切割表面的光滑区深度先增大后减小。     

切割速度对6061铝合金薄板激光切割温度场的影响

为了揭示切割速度对6061铝合金薄板激光切割过程中温度场的分布及工艺规律，利用有限元软件对2 mm厚铝合金薄板在不同激光切割速度下的温度场进行数值模拟，并通过实验对仿真结果进行验证。仿真结果表明：当激光切割速度为80 mm/s时，工件的热影响区宽且熔深大，切缝处较宽范围内的材料均已达到熔点温度，随着切割速度增大，热影响区宽度、切缝处材料熔化量及熔深均逐渐减小。当切割速度为120 mm/s时，工件的熔深刚好达到材料的厚度。实验结果表明，当切割速度过低时，切缝处材料熔化量过多，在底部形成较厚的挂渣，随着切割速度增大切缝质量得到有效改善，但切割速度过大则会导致切缝处材料熔化量减小，粗糙度增大，切割速度为120 mm/s时，切缝质量最好。实验结果与仿真结果一致性较好，证明了仿真结果的准确性。     

CFRP/Al叠层材料二维正交切削过程数值仿真

由于CFRP与Al合金材料之间的差异性,对其构成的叠层材料的加工带来巨大挑战,同时由于实验研究的高成本、时间消耗以及计算机技术的高速发展,数值仿真成为研究切削过程的有力方法。将三维钻削过程简化为由不同的本构模型和损伤准则建立的2D正交切削宏观有限元模型,研究了切削顺序、进给速度、刀具前角对45°纤维角CFRP/Al合金叠层材料切削力和CFRP切削损伤的影响。仿真结果表明:CFRP→Al切削顺序优于Al→CFRP切削顺序。进给速度对切削过程中切削力和切削损伤的影响高于刀具前角。当刀具前角大于5°时,增大刀具前角对45°单向CFRP的切削力和加工后表面损伤影响不显著。     

织构参数对不锈钢与猪股骨间摩擦性能的影响

采用YLP-F20激光打标机在4Cr13不锈钢圆盘试件表面加工出不同尺寸的沟槽微织构试样;将织构试样与新鲜猪股骨制成的骨棒试样构成销-盘摩擦副,在立式万能摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损试验,研究微织构参数对不锈钢与猪股骨在生理盐水润滑下的摩擦特性的影响。结果表明:沟槽型的摩擦因数比无沟槽的要小,在文中研究的范围内摩擦因数随着沟槽宽度的增加而减小,随着沟槽间角度的增加而增加;对加工微织构后的表面进行处理对摩擦因数的影响很大。文中研究范围内宽度200μm、深度20μm、角度1.21°微织构组合,相比较于无微织构试件摩擦因数最大降低了36.4%。