不同冷却方式对激光加工CFRP的影响研究

为了探索不同冷却方式对激光加工的影响,采用水、气体以及水气复合3种不同冷却方式辅助激光加工碳纤维复合材料进行了对比研究,同时采用单因素实验研究了不同工艺条件对加工质量的影响,并分析了作用机理。结果表明,在3种冷却方式下,热影响区、槽深均随着功率、频率的降低而降低,随着扫描速率的增加而降低;在相同工艺参数下,水气复合辅助激光加工产生的热影响区最小,气体辅助激光加工产生的热影响区次之,水辅助激光加工产生的热影响区最大;当激光功率为2250 W、频率为1200 Hz、速率为120 mm/s时,水、气体以及水气复合3种不同冷却方式的热影响区分别为378μm, 283μm, 196μm,槽深分别为401μm, 789μm, 647μm;采用水气复合辅助激光加工可以在加工过程中实现较好的冷热平衡,获得最好的加工质量。该研究为更好地实现碳纤维复合材料低损伤加工提供了参考。     

激光穿孔中辅助气体动力学性能分析

通过基于结果的自适应算法对激光穿孔过程中的撞击射流场结构进行了计算.辅助气体与工件之间相互作用的本质过程可以描述为轴对称撞击射流过程,高压气体的轴对称撞击射流可以展示在高压状态下气体与工件之间的相互作用.气体射流与工件相互作用时,入射斜波与正激波发生直接接触和非接触的两种不同状态,分析了高压气体辅助激光切割第二个合理的加工区域的存在原因,加工参数对切口中气体动力学性能的影响,以及分析高压气体辅助加工能力随工件与喷嘴距离之间的关系.通常在入射斜波与正激波直接相互作用没有完成时,质量流率随工件与喷嘴距离变大而剧烈衰减,因此高压气体辅助激光切割时要尽可能保证工件与喷嘴的距离限定在合理的范围内.     

基于水导激光平面缩流喷嘴内流场仿真研究

适用于水导激光加工工艺的毛细带锥角喷嘴,其内部流动状态复杂。为了获得喷嘴内部高度稳定水束,采用有限元流体计算软件模拟分析的方法,进行了适用于水导激光工艺的缩流型喷嘴内流场模拟分析和数值验证,取得了生成高速稳定水束的参量数据。结果表明,随着平面喷嘴入口压力逐渐增加,毛细段长径比值减小,流体进入喷嘴内部与毛细段壁面发生完全分离,无明显的空化现象发生,形成稳定光滑的缩流型水束;喷嘴入口压力为50MPa时,毛细管直径分别为0.128mm,0.07mm,0.03mm的喷嘴内部水束再附壁长度可达毛细管长度90%;锥角管为10°时, 经过锥角段的水束会再次附壁。模拟分析所得参量对水导激光缩流型喷嘴选取提供指导。     

辅助气体对激光打孔的影响

辅助气体是影响激光打孔质量的一个重要因素,本文通过实验分析了辅助气体类型、气压对不同的材料激光打孔的孔径和孔臂粘滞物吹除的影响,提出了激光打孔中有效利用气压的概念,指出可采用直径非上的孔来产生很强的气流以提高有效利用气压,并利用激光打孔后作为喷嘴,获得了重复率高、倾斜度小和工件表面干净的激光打孔。     

22SiMn2TiB装甲钢激光切割试验研究

针对切割后的板料表侧面质量差,拼焊时因两板间隙产生挂渣、过烧和熔滴等问题,对5mm厚的22SiMn2TiB装甲钢进行了激光切割实验研究,讨论了激光功率、切割速度、离焦量、喷嘴孔径和辅助气体压力等5个工艺参数对切割后板料表侧面质量影响的规律。实验结果表明:激光切割22SiMn2TiB装甲钢时,调整上述5个工艺参数在合理范围内时,未产生挂渣、过烧和熔滴等缺陷。最后通过工艺优化得到了激光切割22SiMn2TiB装甲钢最佳工艺参数为切割速度2 000mm/min、激光功率2 200 W、离焦量1mm、喷嘴孔径1.5mm、辅助气体压力0.15 MPa。     

激光切割碳纤维复合材料的实验研究

为了获得激光切割参量对碳纤维复合材料的影响规律,利用额定功率为500W的毫秒脉冲Nd:YAG激光器,分别进行了在空气中和水下切割碳纤维复合材料(CFRP)的实验研究。采用单因素实验法,考察了脉冲能量、频率、切割速度与气体压力等激光参量对切割质量的影响,获得了激光参量对切割CFRP材料切口的切缝宽度、正面纤维拔出长度、背面纤维拔出长度与锥角的影响规律,并对激光切割机理进行了分析研究。结果表明,水下切割能有效地减小激光切割产生的热影响区。这为继续开展激光水下切割CFRP的研究提供了参考。     

激光加工陶瓷裂纹行为的理论分析及实验验证

通过建立脉冲激光陶瓷打孔二维温度场模型,计算了相应的热应力分布,预测了打孔过程中的两种裂纹形态--径向裂纹和环形裂纹,并由此预测出激光脉冲切割过程中的两种裂纹扩展方式--发散型和回归型,提出通过降低加工处温度、减少热影响区以及增大孔径(或切缝宽度),可以达到降低热应力,抑制加工裂纹产生的目的.通过讨论模型参数和激光加工工艺参数之间的对应关系,提出低占空比、高辅助气体压力和离焦加工是激光加工工艺参数优化的基本方向,通过对氧化铝陶瓷和单晶硅的激光加工实验,对裂纹的产生及扩展预测进行了验证,并对加工参数优化实现了陶瓷的激光无裂纹加工.     

深紫外激光对GaN薄膜的激光抛光研究

为了研究157nm深紫外激光的激光抛光加工特性,采用小光斑对GaN半导体薄膜进行了微平面扫描刻蚀.通过探讨激光工艺参量与激光抛光质量的影响关系,得到了最佳的工艺参量范围.结果表明,随着激光抛光扫描速率的增加,材料加工表面粗糙度值Ra逐渐减小,其中扫描速率在0.014mm/s～0.015mm/s处,激光抛光质量最高;而激光抛光扫描间距的减小,或者脉冲频率的增加,都将导致被加工表面粗糙度增大;当脉冲频率取8Hz时,抛光效果较好,表面粗糙度值Ra≈20nm.     

大角度斜面激光切割加工的工艺研究

分析了大角度斜面激光切割的可行性和激光切割加工工艺。结果表明 :当激光功率为1260W、光斑直径为0.18mm、以0.08MPa的氧气作为辅助气体、切割速度为 1.4m/min、使喷嘴离工件的距离保持在0.5mm～0.8mm之间并选取适当的CNC程序直线插补步长,可以实现6mm厚的15Cr2Mo1钢大角度斜面的激光切割,切口质量良好。     

响应面分析法优化低碳钢薄板激光切割工艺参数

为了研究光纤激光加工工艺对Q235低碳钢薄板切割质量的影响，采用500 W光纤激光切割机对0.7 mm厚低碳钢板切割质量影响规律进行了研究。采用中心复合设计(Central Composite Design, CCD)进行实验设计，使用超景深显微镜对切割试样的切缝宽度和挂渣高度进行测量。实验结果表明：切缝宽度的大小主要由激光功率、切割速度、辅助气压力和离焦量决定；挂渣高度的大小主要决定于激光功率、切割速度、离焦量和辅助气压力。建立评价切缝宽度和挂渣高度与工艺参数之间的回归模型，并对模型进行目标优化。结果表明，工艺参数组合为激光功率450 W,切割速度9 m/min,离焦量0 mm,辅助气压力0.564 MPa时可获得最优的切割质量。     

铝合金CO2激光深熔焊接过程中等离子体的热力学行为研究

结合光学多通道分析仪和高速摄像仪的观测结果,对6061铝合金CO2激光深熔焊接过程中等离子体的热力学行为进行了研究。分析了稳定的激光焊接过程初始阶段和焊接过程中及焊接过程不稳定时的等离子体热力学行为。实验结果表明,激光深熔焊接在初始阶段,等离子体的电子温度和离子温度偏离较大,并逐渐趋于平衡,温度梯度也逐渐变小;在稳定的焊接过程中激光功率的增加对等离子体的温度影响较小,等离子体尺寸变化对焊缝截面有重要的影响;等离子体温度急剧增加时,小孔内气压的剧增会引起等离子体上下起伏,使焊接过程中断或产生气体,而等离子体尺寸大小的波动则会影响焊缝成形。     

Al2O3陶瓷YAG激光切割重铸层的研究

针对激光切割陶瓷产生的重铸层和裂纹,设计了超音速喷嘴,采用侧吹高速辅助气流与同轴切割气流复合技术,研究了激光加工工艺参数对重铸层及裂纹的影响规律,开发了获得最小重铸层厚度和裂纹长度的高效率激光切割方法     

激光切割中的简易超音速喷嘴辅助气体流场分析与结构优化

分析了激光切割的简易折线结构超音速喷嘴辅助气体射流场结构与喷嘴喉部转角的关系,以及发散段长度对流场状态参数的影响规律,通过合理规划发散段直线的长度,使简易折线结构的超音速喷嘴能够获得均匀的流场结构与最佳的动力学特性.最后仿真结果验证优化后的喷嘴可以获得合理辅助气体出口参数与动力学性能良好的射流场结构.     

CO2激光-TIG复合焊接气体的保护方式

保护气体组成及其保护方式是决定CO2激光-钨极氩弧焊(TIG)电弧复合焊接工艺稳定性和激光、电弧两种热源能否有效耦合并取得增强的焊接熔深的关键原因。为此,采用不同的气体保护方式在316L不锈钢板上进行了一系列CO2激光-TIG电弧复合焊接实验。结果表明,只有在合理的气体保护方式下才能取得增强的焊接结果,其中气体保护方式对激光等离子体和电弧等离子体相互作用程度的影响是决定能否有效耦合的关键因素。单独TIG焊炬保护不能保证激光和电弧的有效耦合,TIG焊炬加旁轴喷嘴的方式只能在较窄的参数范围内获得有效耦合,而TIG焊炬加同轴喷嘴的保护方式则在较宽的范围内都能保证两种热源的有效耦合。     

单晶金刚石飞秒激光加工的烧蚀阈值实验

采用不同功率的飞秒激光对单晶金刚石分别进行了单脉冲分离烧蚀实验和多脉冲累积烧蚀实验,计算得到了单晶金刚石材料的单脉冲烧蚀阈值和多脉冲累积烧蚀阈值,并研究了多脉冲作用下单晶金刚石烧蚀阈值的变化。结果表明:单晶金刚石的飞秒激光单脉冲烧蚀阈值为8.80 J/cm^2;随着有效脉冲数增加,烧蚀阈值逐渐减小;当有效脉冲数小于124时,烧蚀阈值随有效脉冲数的增加而急剧减小;当有效脉冲数增加到486后,烧蚀阈值减小的趋势趋于平缓。有效脉冲数486、激光平均功率10.7 W是最优的激光加工工艺参数。     

拟塑性流体中单气泡生成及上升周围液相流场的测量

采用激光影像技术,对羧甲基纤维素(CMC)水溶液中气泡生成过程中的形状演变进行了实时观测。利用激光多普勒测速仪(LDV)对气泡生成和上升过程中周围液相流场进行了测定,得到了气泡周围的液相时均速度分布以及在测试截面上的速度等值图。结果表明,在气泡生成初期,由于表面张力占主导作用,气泡呈球形增长;随后在浮力和和剪切稀化共同作用下,气泡逐渐被拉伸呈泪滴状;液相轴向时均速度对喷嘴中心垂线呈高斯分布,径向时均速度随着与喷嘴中心垂线距离的增加,先增加后减小。在实验范围内,轴向时均速度随高度的增加先减小后增大,其等值图则逐渐发散;而径向时均速度随高度的增加逐步减小,其等值图中极大值缓慢向两边偏移直到消失,整体沿喷嘴中心垂线呈蝴蝶"前翅膀"状。     

飞秒激光参数对石英玻璃微孔加工的影响

微孔加工是微器件加工中的重要环节,飞秒激光的强烈非线性吸收和"冷加工"特性使其在玻璃微纳加工方面有独特的优势和应用前景。选用石英玻璃作为试验材料,研究飞秒激光参数对微孔深径比及形貌的影响。结果表明,飞秒激光脉冲能量、打孔速度对微孔深径比存在较大影响。随着激光能量和打孔速度的增加,微孔深径比均呈现减小趋势。通过选择适当参数,可以获得深径比大于25∶1且孔形较好、无明显裂纹的长直微孔。为了获得更好的聚焦效果,采用倍频晶体BBO获得了400 nm波长的飞秒激光。用相同聚焦透镜时400 nm飞秒激光加工的微孔比800 nm更小。此外,也对飞秒激光微孔加工中常见的缺陷进行了分析。     

密封高压气体的激光焊接工艺研究

为了实现在器件内密封高压气体,设计制造了一套激光焊接加工设备。主要研究其激光加工参数对焊接工艺的影响,分析单脉冲能量、离焦量、氦气压力等参数,对其焊接熔深、焊缝形貌及气密性的影响。试验结果表明,通过优化工艺试验参数,最终可实现在器件内密封10 MPa氦气,泄漏率小于1.33×10-9Pa·m3/s;并且随着氦气压力的增大,焊接熔深逐步增大,焊缝形貌改善,表面金属光泽度增强。     

射频脉冲CO2激光轧辊毛化技术及工艺实验研究

利用射频激励CO2激光器开发的轧辊毛化设备具有激光脉冲调制简单、结构紧凑、运行和维护费用低等优点.通过实验研究和讨论了射频CO2激光毛化中各种工艺参数的影响.在选取合适的辅助气体作用方式、压力和离焦量的情况下,实际测量结果表明激光重复频率、脉冲宽度、加工速度对毛化点大小和几何形状的影响最直接.     

面向碳纤维增强树脂基复合材料/钢异质结构连接的汽车钢板高速激光毛化工艺研究

为了解决激光连接碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)/钢异质接头中的缩孔问题,采用光纤激光对GMW2钢板进行高速毛化试验,系统研究了激光功率、扫描速度、扫描长度和扫描次数对微凸起宽度和高度的影响,并利用高速摄像实时观察了毛化过程。结果表明,微凸起宽度与熔池宽度相当,增加激光功率或减小扫描速度将导致熔池宽度增加,微凸起宽度也将增加;而扫描长度和扫描次数不影响熔池的宽度,因此微凸起宽度也不发生变化。微凸起高度由蒸气压力、表面张力和液体动压力决定,激光功率增加将导致蒸气压力的增加和表面张力的减小,液态金属向熔池尾部流动的驱动力增大,适当地增加激光功率有利于微凸起的长高,但激光功率过高将产生大量飞溅,导致微凸起高度不稳定;随着扫描速度的增加,蒸气压力、表面张力和液体动压力都将发生变化,熔池液体流动的驱动力和阻力存在竞争关系,导致微凸起高度呈先增加后减小的趋势;扫描长度增加,蒸气压力水平分量增大,驱动力增加,微凸起高度逐渐增大。