（机械制造及其自动化专业论文）电解射流激光复合加工技术基础研究.pdf

a d v i s e d b y p r o f x uj i a w e n s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g j a n u a r y , 2 01 0 mml5 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明 引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著 作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人 和集体，均己在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复 印件，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日期： ， 一 南京航空航大人学硕十学位论文 摘要 电解射流一激光复合加上技术是一项同时具备激光加- t 高效率及电解射流高表面质量的新 型复合j j f l - e 技术。其特点是借助电解射流加 “在线”消除激光加工产生的再铸层、残余应力、 微裂纹，由于激光对待加工部位的辐照，使得电解液局部温度升高，进一步促进该区域的电化 学作用，加强了电解射流加工的定域性，并伴随热化学及其它作用的影响去除材料。本文针对 这项复合加工技术进行了以下研究： ( 1 ) 深入研究激光在介质中的传输特性，并对激光在空气、纯水和中性盐溶液中加- t 的力 学效应进行了试验研究。试验结果表明：激光在短距离的液体介质中作用于靶材的力学效应是 空气条件下的3 倍以上，有利于去除金属熔化物；且激光在精细过滤后的工业盐溶液中传输可以 达到与在纯水中接近的衰减效果。 ( 2 ) 基于激光在中性盐溶液中衰减特性的研究、激光在射流中的传输原理和射流的稳定原 理，并结合c f d 仿真技术对喷射耦合腔体及喷嘴的流场特性进行了流体动力学仿真，研制了专 用的电解射流一激光复合加工系统。 ( 3 ) 利用电解射流一激光复合加工系统进行了复合加工成形规律研究。首先对电解射流加 工进行了相关： 艺试验，初步研究了各加1 ：参数对加工效率和加工质量的影响，分析了电解射 流加- 丁的成形规律；其次，在电解射流加1 试验的基础上，对脉冲电解射流一激光复合加： 进行 了试验研究，研究结果表明：复合加i ：孔孔壁具有较高的表面质量，基本无再铸层、微裂纹及 热影响区等缺陷。 通过上述理论分析和试验研究，证实了电解射流一激光复合加工的可行性，为电解射流一激 光复合加工工艺的进一步发展提供了试验依据。 关键词：激光加工，电解射流加t ，复合加工，传输特性，参数优化，再铸层 电解射流一激光复合加i ：技术基础研究 a b s t r a c t h y b r i dp r o c e s s i n go fe l e c t r o c h e m i c a lj e tm a c h i n i n g ( e j m ) a n dl a s e rb e a mm a c h i n i n g ( l b m ) i sa n e wp r o c e s s i n gm e t h o d ，w h i c ho b t a i n sh i g he f f i c i e n c yo fl b ma n dh i g hs u r f a c eq u a l i t yo fe j m t h e c o u r s co fe j m l b ma r et h a t ：t h er e c a s tl a y e r , h e a ta f f e c t e dz o n ea n dm i c r o c r a c kc a u s e db yl b ma r e r e m o v e db ye j m ，a n dr a d i c a l i z a t i o no fl a s e rc a na c c e l e r a t et h ee l e c t r o c h e m i s t r ye f f e c ta n de n h a n c e t h el o c a l i z a t i o no fe j m ，a n db e s i d e sl b ma n de l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g ，a c t i o no ft h e r m o c h e m i s t r y a n do t h e re f f e c tm a yr e m o v et h em a t e r i a l t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h et r a n s m i s s i o np r o p e r t i e so fl a s e ri nm e d i u ma r ei n v e s t i g a t e d ，a n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h o nl a s e r - i n d u c e dm e c h a n i c a le f f e c ti na i r , p u r ew a t e ra n de l e c t r o l y t ei sc a r r i e do u t t h er e s u l t si n d i c a t e t h a t ：l a s e r - i n d u c e dm e c h a n i c a le f f e c to fm e t a lt a r g e ti nt h es h o r td i s t a n c el i q u i di st h r e et i m e sm o r e t h a nt h a ti na i r , a n dt h i si sb e n e f i c i a lt or e m o v et h em e l t ；t h et r a n s m i s s i o ne f f e c to fl a s e ri nt h ef i l t r a t e d e l e c t r o l y t ea p p r o a c h e st h a ti np u r ew a t e r ( 2 ) b a s e do nt h ep r o p e r t i e so fl a s e ra t t e n u a t i o ni nt h ee l e c t r o l y t e ，t h et r a n s m i s s i o np r o p e r t i e so f l a s e ri nj e ta n dp r i n c i p l eo fj e ts t a b i l i t y , t h es p e c i a le j m - l b mt e s ts y s t e mi s d e s i g n e da n d m a n u f a c t u r e d ，a n dt h ef l u i dd y n a m i c sp r o p e r t i e so fc o u p l i n gj e tc a v i t ya n dn o z z l ea r es i m u l a t e db y c f ds o f t w a r e ( 3 ) t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo fs h a p i n gl a wi sc a r r i e do u tb yu s i n gt h ee j m l b mt e s ts y s t e m ， f i r s t ，t h eb a s i ce j me x p e r i m e n ti sc o n d u c t e d ，a n dt h ei n f l u e n c e so ft h em a c h i n i n gp a m m e t e r so n s u r f a c eq u a l i t ya n dm a c h i n i n ge f f i c i e n c ya r ei n v e s t i g a t e d ，a n dt h es h a p i n gl a wo fe j mi sa n a l y z e d s e c o n d ，b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo fe j m ，t h eb a s i ce x p e r i m e n to fe j m l b mi sc a r r i e do u t , a n dt h er e s u l t si n d i c a t et h a t ：t h ec l i f f so fh o l e so b t a i nh i g hs u r f a c eq u a l i t ya n dt h er e c a s tl a y e r , h e a t a f f e c t e dz o n ea n dm i c r o c r a c k i n ga r ee l i m i n a t e db a s i c a l l y a c c o r d i n gt ot h ea b o v et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n ，t h ef e a s i b i l i t yo f e j m l b mi sv e r i f i e d t h er e s e a r c hp r o v i d e st h ee x p e r i m e n t a lf o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：l a s e rb e a mm a c h i n i n g ，e l e c t r o c h e m i c a lj e tm a c h i n i n g ，h y b r i dp r o c e s s ，t r a n s m i s s i o n p r o p e r t y , p a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n ，r e c a s tl a y e r i i ， l 南京航空航天人学硕十学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究目的及意义1 1 2 课题研究背景3 1 2 1 激光加工研究现状3 1 2 2 微细电解加工研究现状。5 1 3 课题的主要研究内容7 1 4 课题来源7 第二章电解射流一激光复合加工机理8 2 1 激光加t 机理8 2 1 1 激光加工原理及过程8 2 1 2 激光与材料的作用原理9 2 1 3 水导激光加：亡机理l o 2 2 电解射流加工机理1 1 2 2 1 电解射流加工原理1 1 2 2 2 电解射流加：i = 特点1 2 2 2 3 脉冲电解加工1 3 2 - 3 电解射流一激光复合加工机理13 2 4 本章小结1 4 第三章电解射流一激光复合加工的激光传输特性1 5 3 1 激光在纯水中传输特性的试验研究1 5 3 1 1 激光在水中的传输特性1 5 3 1 2 激光水下力学效应测试试验及结果1 6 3 1 3 水下激光加工效果对比试验及结果分析1 8 3 2 激光在中性盐溶液中传输特性的试验研究2 0 3 2 1 激光在中性盐溶液中的传输特性2 0 3 2 2 激光在中性盐溶液中力学效应测试试验及结果2 l 3 3 激光束与射流的耦合机理2 4 3 3 1 射流中激光的传输原理2 4 3 - 3 2 射流稳定原理2 7 i i i 电解射流一激光复合加i ：技术基础研究 3 4 本章小结2 8 第四章电解射流一激光复合加：【：装置系统2 9 4 1 系统总体设计一2 9 4 2 基于c f d 的喷射耦合装置设计3 0 4 2 1c f d 软件介绍31 4 2 2 喷射耦合装置的结构设计3 3 4 2 3 基于c f d 的喷射腔体流场仿真3 3 4 2 4 喷嘴结构设计3 5 4 2 5 基于c f d 的喷嘴流道仿真设计3 6 4 3 夹具设计及密封绝缘措施3 8 4 4 液压系统设计3 9 4 - 4 - l 液压系统组成3 9 4 4 2 液压泵的选用4 0 4 4 3 其他辅助元件的选用一4 0 4 5 激光器及电源的选用4 l 4 6 本章小结一4 2 第五章电解射流一激光复合加工试验及分析。4 3 5 1 电解射流加工成形规律试验4 3 5 1 1 试验方案及条件4 3 5 1 2 电场参数对电解射流加：j 二效率及质量的影响4 3 5 1 3 流场参数对电解射流加工效率及质量的影响4 9 5 1 4 电解射流加工成形规律试验分析5 1 5 1 5 试验结论51 5 2 电解射流一激光复合加工试验及结果分析一5 2 5 2 1 试验方案及条件5 2 5 2 2 电解射流一激光复合加工试验。5 2 5 2 3 复合1 j n - r 基本工艺规律总结5 5 5 3 本章小结5 5 第六章总结与展望5 6 6 1 论文_ t 作总结5 6 6 2 对进一步工作的展望5 6 参考文献5 8 i v 南京航空航大人学硕士学位论文 致 射6 3 在学期间的研究成果及发表的学术论文一6 4 v 电解射流一激光复合加i ：技术基础研究 图表清单 图1 1 电解喷射加1 ：技术6 图2 1 激光加丁原理图8 l 图2 2 激光打孔过程示意图9 图2 3 水导激光加工原理图一1 1。 r 图2 4 电解射流加：i = 原理图1 2 图2 5 电解射流一激光复合加工原理图1 3 图3 1 纯净水对不同波长激光的吸收曲线2 引1 5 图3 2 激光水下打孔试验装置图1 7 图3 3 压电加速度传感器17 图3 4 红外激光与绿色激光加r t 力学效应随纯水传输距离变化图1 8 图3 5 绿色激光和红外激光所打孔的形貌1 9 图3 6 变加工时间的激光水下加： 孔深对比1 9 图3 7 变水下光程的激光水下加工孔径对比1 9 图3 8 不同介质里绿色激光作用于靶材的力学效应测试电信号( 单脉冲能量：5 0 m j ) 2 1 图3 9 不同介质里红外激光作用于靶材的力学效应测试电信号( 单脉冲能量：5 0 m j ) 2 2 图3 1 0 不同电解液传输距离下绿色激光作用于靶材的力学效应测试电信号( 单脉冲能量：5 0 m j ) 2 3 图3 1 l 不同电解液传输距离下红外激光作用于靶材的力学效应测试电信号( 单脉冲能量：5 0 m j ) ：1 3 图3 1 2 射流径向截面折射率分布2 5 图3 1 3 子午光线在射流中的反射2 6 图3 1 4 射流破碎长度与射流速度关系2 8 图4 1 电解射流一激光复合加工系统示意图3 0 一 图4 2c f d 软件工作流程图3 2 图4 3 激光电解射流复合加工耦合装置示意图及实物图3 3 图4 4 喷射腔体的实体造型3 4 图4 5 喷射腔体的f l u e n t 仿真图3 5 图4 6 针形喷嘴结构示意图3 6 图4 7 不同长径比喷嘴仿真结果3 7 v i 南京航空航天人学硕+ 学位论文 图4 8 喷嘴结构与实物图一3 7 图4 9 氦氖激光测量射流破碎长度效果图3 8 图4 1 0 专用夹具结构与实物图3 9 图4 1 1 电解液循环过滤系统4 0 图4 1 2 激光器主机示意图4 1 图4 1 3 高压电源实物图一4 2 图5 1 低电压条件下电解加工电压对平均打通时间的影响4 4 图5 2 不同加工电压下的打孔形貌图：4 5 图5 3 电解电压对平均溶解速率的影响4 5 图5 4 加丁放电现象一4 6 图5 5 占空比对平均打通时间的影响4 7 图5 6 不同频率加t 孔表面形貌对比4 7 图5 7 直流与脉冲方式电解射流加工蚀除速率对比4 8 图5 8 加工小孔扫描图4 8 图5 9 初始间隙对平均加工孔深的影响4 9 图5 1 0 电压6 0 0 v 时喷射压力对平均打通时间的影响5 0 图5 1 1 喷射压力对出口孔径的影响5 0 图5 1 2 不同喷射压力加： 孔的孔壁和孔形5 1 图5 1 3 电解射流加丁成形规律拟合图51 图5 1 4 复合加工孔的入口、出口直径变化示意图5 3 图5 1 5 不同初始间隙下复合加工孔的出口孔径变化示意图5 4 图5 1 6 电解射流一激光复合加工孔的孔壁扫描电镜照片5 4 表4 1x g l - 1 型脉冲n d ：y a g 激光器参数4 l 表5 1g h 4 1 6 9 的主要组成元素及含量4 4 表5 2 不同电压下加工孔的进出口孔径平均值4 6 表5 3 不同加工间隙下，激光击穿工件所需脉冲个数5 3 表5 4 相同条件下电解射流加工与复合加工孔径及锥度对比5 5 v i i 电解射流一激光复合加l ：技术基础研究 注释表 a 加速度 c光速 c 中性盐溶液浓度 c o 中性盐溶液初始浓度 d 喷嘴的出口直径 e 折射角 e 单个光子的能量 e ( o ) 激光入射到材料表面时的总 能量 e ( 反射) 激光被材料表面反射的能量 e ( 吸收) 激光被材料表面吸收的能量 e ( 透射) 激光透射过材料的能量 f 质量块产生的惯性力 h 普朗克常数( 6 6 2 6 1 0 。3 4 j s ) ， 激光能量 x o ( x ) 传输前的激光初始能量 z x ( x ) 在液体中传输路程为x 后的 激光能量 k - 8 k 和e p s i l o n 方程 故n 消光系数 工 喷嘴圆柱段长度 m 质量块的质量 肌( n 溶液的实际折射率的复数形式 肛 复数形式的实部 ，l ，、甩：、 射流横向截面各层的折射率 甩3 、刀n 甩空气 空气折射率 v i i i p p p g 液压泵的额定驱动功率 最大工作压力 颗粒粒径相对入射激光波长 的无量纲参数 额定流量 距光轴处的距离 颗粒粒径 中性盐溶液温度 中性盐溶液初始温度 光束半径 吸收系数 吸收系数 散射系数 激光在溶液中的吸收长度 入射角 临界角 最终传输到射流与空气交界 面的光线入射角 波长 光束衰减系数 频率 反射系数 透射系数 喷嘴的入口角 浓度影响因子 温度影响因子 v q r r r w 联 口 六九 、n - r ，c船矿 p r 蚧 南京航空航大人学硕十学位论文 c d c f d c p u e j m e s d l i g a p s u r n g s e m s t e m u a l 毛细管电解打孔 计算流体动力学 中央处理单元 电解射流加工 电液束打孔 光刻、电铸和注塑 实用盐标 重整化群 扫描电镜 成形金属管电解加工 超声辅助激光加工技术 缩写说明 c a p i l l a r yd r i l l i n g c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t e l e c t r o c h e m i c a lj e tm a c h i n i n g e l e c t r os t r e a md r i l l i n g l i t h o g r a p h i eg a l a n o f o r m u n ga b f o r m u n g p r a c t i c a ls a l i n i t yu n i t s r e n o r m a l i z a t i o ng r o u p s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e s h a p e dt u b ee l e c t r o l y t i cm a c h i n i n g u l t r a s o n i c a i d e dl a s e r i x 南京航空航天人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究目的及意义 从加工尺度特征划分，通常将1 比r n - 1 0 0 0 # m 的加工称为微细( m i c r o ) 加工，近年来又将尺 度介于微、宏之间( 1 0 0 # m - l o m m ) 的加工称之为m e s o s c a l e j j l l _ e 。m i c r o m e s o 尺度是与高科技 产品最密切相关的尺度领域，相对应的m i c r o m e s o ) ) n 工技术已成为各工业发达国家广泛关注和 重点投入的研究热点【1 1 。2 0 0 0 年5 月由美国国家科学基金会主办了以“微米和中间尺度机械制造” ( m i c m m e s o m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n g m 4 ) 为主题的专题学术讨论会【2 】，重点探讨了几何特征 尺寸在0 。o l m m l o m m 范围内的三维微小零件的精密加j 丁= 方法和设备，旨在达到与传统精密、超 精密加工相称的结果，以满足对精密三维微小零件日益增长的需求。 随着高新技术产品朝着微型化、精密化、集成化以及高性能、高可靠性的方向快速发展， 在产品零件中出现了大量形状各异的微结构，其中金属合金材料上的微细孔、型槽、摩擦副表 面微凹坑、表面纹理刻线等一系列典型微细结构在航空航天、精密仪器、化纤、汽车制造、医 疗器械等领域有着广泛应用，对微尺度结构加工技术有着迫切的需求。例如在现代航空发动机 上，其涡轮叶片、导向叶片、燃烧室等高温j 作零件上，一般都会存在数万个直径在0 2 5 1 2 5 m m 的气膜冷却孔；为了降低发动机的机械损失，人们已经认识到气缸表面加工纹理对活塞忾缸摩 擦学特性的显著作用【3 l ；为了提高轴承的使用寿命，国外已经开始在轴承内外圈上加工各种储 油凹坑等。但如何解决这些微细结构的优质高效而又无表面缺陷的加工，又成了世界性的难题。 因此发展针对微尺度的、能够加工金属及其合金材料的微细加工方法已成为当前微制造领域迫 在眉睫的研究课题【】。 激光技术是2 0 世纪6 0 年代崛起的一门新兴的科学技术，自上个世纪以来迅速发展成为一 项成果显著、学科渗透广、应用范围大的综合性高科技。激光技术的出现不仅推动了光学技术 的蓬勃发展，而且衍生了诸多新兴学科和交叉学科，并在社会的许多行业中得到了实际应用， 使得包括电子，医疗，制造，核能，通讯等在内的一大批行业的面貌发生了革命性变化。 激光加工是一种高能束流加工方法，它以光量子为能量载体，利用聚焦后光的高能量密度 产生的光热效应来去除材料，加工速度快并且是局部加工，对非激光照射部位没有影响或影响 很小，因此其热影响区小，热变形小，加工精度高，可加工高硬度、高脆性及高熔点的多种金 属、非金属，且加工过程无切削力等影响，加工效率极高。激光加工技术在材料加工的各个领 域中已经获得了广泛的应用，包括船舶制造、汽车制造、航空航天、医疗设备、电子产品等等。 通过与计算机技术相结合，激光加工技术在工业生产中已实现自动化、数字化，拥有普通加工 技术不可比拟的优势，这些优势体现在加工速度快、加工精度高、加工灵活、无切削力、无刀 1 电解射流一激光复合加i ：技术基础研究 具损耗、加l ：时不产生噪音等。正是基于激光加+ r 技术的这一系列优势，目前高性能的激光加 工设备已经应用于微细加- t 中。 但激光加! f 是一个高速热冲击过程，在此过程中，高密度能鼙快速集中在加工工件很小的 范围内，使得该范围内温度可在短时间内达到上万度，使材料瞬间熔化甚至汽化喷出，同时紧 靠：f 件基体的一部分熔质会很快凝同、结晶，形成再铸层；在激光冲击点附近，材料经过了快 速的熔化和冷却凝固，必然产生很大的热应力；在应力的作用下，再铸层上会产生微裂纹，并 有可能渗入基体。工件表面存在的再铸层、残余应力和微裂纹等缺陷会严重影响工件的疲劳强 度，在负载时有可能导致整个基体的破坏【6 l 。再铸层、微裂纹、残余应力已成为激光加工的“唯 一的致命弱点【7 1 。 电解射流加工是一种电解喷射加工方法，其加【：机理与电液束加工类似。电液束小孔加工 时，在呈收敛形状的绝缘玻璃管喷嘴中有一个金属丝或金属管作为阴极，将被压入玻璃管内的 电解液以高速流的形式，通过高压电场的作用，射向j 1 ：件的待加工位置。其加工效率与普通电 解加工相比极高，电流效率均高于1 0 0 ，目前几乎所有发表的文献资料中都表明其加工机理 尚不十分清楚1 8 圳，但其在高效的背后也有亟需改进的关键技术。玻璃管电极是电液束加t 的主 要1 ：具，但其玻璃管喷嘴的设计制造极其复杂，无形中增加了i r = 业应用的技术成本，而且由于 喷嘴直径太小而容易在加工过程中破碎，加j 二过程不够稳定。因此，在电液束加工技术的基础 上引入了电解射流加工，其用金属作为喷头、喷嘴的制作材料，易于加工，省去了金属丝或金 属管的阴极，其电场效果更好，且不会在加- t 过程中由于喷嘴的破碎而影响加工过程的稳定性， 其一艺技术具有可达性好、表面不产生金相缺陷、深径比大等特点，加t 表面可达到无微裂纹、 无变质层、无残余应力的“三无”效果。但其加：i 二时定域性较差，且与激光打孔、电火花加工 小孔相比单孔加工效率较低，加工出的孔锥度较大。 通过将电解射流加工和激光加工复合，电解射流通过电化学阳极溶解作用加工工件，激光 束在电解射流的引导下以全反射的形式经过射流去除材料，并且由于激光对待加工部位的辐照， 使得电解液局部温度升高，进一步促进该区域的电化学作用，并在该区域还伴随着热化学作用 的影响去除材料，在提高效率的同时，还加强了电解射流加：【的定域性，并且由于激光束高能 量密度的高效加工减小了加工孔的锥度，增大了孔的深径比；而电解射流加工也可将激光加工 产生的再铸层、残余应力和微裂纹等缺陷“在线”去除或减薄：两种加工方法复合作用，既保 持了电解射流加工的表面质量和稳定性，又充分利用了激光加工效率高的特点，还可以将两种 加工方法各自的缺陷减轻或消除，真正使得两种加工方法相辅相成，对微细孔、型槽、摩擦副 表面微凹坑、表面纹理刻线等一系列典型微细结构的加j r 提供了新的方式和参考。 2 南京航空航大人学硕十学位论文 1 2 课题研究背景 目前对于航空航天、精密仪器、化纤、汽车、电子等领域广泛存在的尺寸在1 0 0 # m 1 5 m m 之间的微细孔、型槽、摩擦副表面微凹坑、表面纹理刻线等的；0 n _ e ，已经发展了多种加工方法， 主要有微细切削加工技术和微细特种加+ l ：技术f 1 0 1 ，其中微细特种加 ：技术占据主导地位，主要 包括微细电火花加工【1 1 1 2 1 、微细电解加工【m 17 1 、激光加t t i s - m l 、l i g a 技术刚、电子束加工、 离子束加工以及它们的复合、组合加工。其中激光加工与微细电解加工以其各自的优势在微细 加工领域中占据重要的地位。 1 2 1 激光加工研究现状 激光加工在微细加工领域里具备得天独厚的优势，其高效率、高定域性、高精度、加j ：控 制性强等特点使其在微细加t 中得到广泛的应用。但其产生微裂纹、热影响层和再铸层的加： 缺陷限制了其部分领域的应用，针对常规激光加工表面质量缺陷，国内外学者、研究人员对此 作了大量的研究，并取得了一定的成果。现将研究成果综述如下： ( 1 ) 喷射气体辅助激光加工 目前辅助气体已经成功的应用于激光切割中减薄再铸层、改善切缝表面粗糙度。台湾成功 大学制造工程研究所比较了三种喷射压力情况_ 卜激光切割低碳钢的切割效果，试验结果表明适 当提高辅助气体的压力有助于提高切缝质量2 1 。北京f 业大学国家产学研激光技术中心与德国 柏林丁业大学光学研究所t h b e c k 、h w e b e r 等研究了辅助气体对激光打孔的影响【2 2 1 。 ( 2 ) 水下激光加工 水下激光加工与传统空气中激光加工相比，加工t 件周围的介质由空气变成了水。空气和 水都是流体，但二者就其物理性质又有不同。水下激光加工有以下优剧2 3 讲】：激光在水中与材 料作用时会产生水的对流和沸腾蒸发，对流引起的水的流动和气泡的不断产生和破裂，有助于 熔屑从加工区排出，可提高加工的表面质量；水具有良好的冷却作用，可以减薄加工表面的变 质层。 爱沙尼亚塔林工业大学的a r v ik r u u s i n g 等对稀土永磁材料n d f e b 进行了空气和水下激光 加工研究【2 5 】。结果表明，与空气中激光加工相比，水下激光加工可获得更好的表面质量，切缝 干净且无金属熔滴，再铸层明显减少。华中科技大学激光技术与工程研究院对短脉冲激光水下 加工进行了研究，试验表明激光水卜金属打孔效率高于空气中，且微孔表面质量明显优于空气 中2 6 1 。南京理工大学在对激光与水下物质相互作用机理试验研究中也得到相同的结论【2 7 书】。 ( 3 ) 激光加工后续光整处理 该技术是目前去除再铸层较为常用的方法。它是在用激光进行加工后，将表面已经产生的 再铸层通过特殊的光整加工的方法，主要有磨粒流式的机械研磨、自腐蚀式的化学研磨等。这 3 电解射流一激光复合加l ：技术基础研究 些方法已经在部分场合得到了广泛的应用，但是也存在一些不足之处。例如磨粒流去除再铸层 时存在两个问题：一是斜孔两端存在去除不掉的夕匕角：二是磨粒流容易沿着阻力较小的大气膜 冷却孔挤出，造成直径较大的孔被磨大，直径较小的孔亍辱铸层去除不掉丘3 们。化学研磨去除再 铸层时需掌握不同材料的再铸层在电解液中的腐蚀规律，控制适当的化学研磨时间，否则有可 能在再铸层被完全去除后，继续腐蚀基材品界，并且化学研磨中一种电解液通常只适用于某几 种材料，即不同的材料可能需要配制不同成分的电解液，延长了工期【3 1 3 2 1 。 ( 4 ) 复合激光加工 英国的曼切斯特理工大学激光加工研究中心发明了化学辅助激光加工技术( c h e m i c a l a s s i s t e dl a s e rm a c h i n i n g ) ，将某种盐溶液传送到激光束与加一i ：材料的接触面上，使加 二中既有水 下激光加工的冷却、带走熔滴作用，又有溶液的热化学作用，基丁激光及激光的热化学复合作 片j i 机理，不仅可以在加r 过程中直接去除再铸层，而且可以提高材料去除率3 3 1 。 美国的辛辛提拿大学研究并开发了复合熔融模式的激光微细加工技术( an o v e ll a s e r m i c r o m a c h i n i n gt e c h n i q u eu s i n gam i x e d - m o d ea b l a t i o na p p r o a c h ) 。利用该项技术已经成功的在单 晶硅片上加工出微米数量级的微结构，加：i ：= 后表面质量良好，无明显的微裂纹和热影响区【3 4 1 。 香港理工大学研究了超声辅助激光加j 技术( t h eu l t r a s o n i c a i d e dl a s e r ( u a l ) m a c h i n i n g ) ，对 铝基复合材料进行了加t 研究。结果表明，通过施加超声振动，可以有效去除金属熔化物，所 加：l ：孔的深径比得到了提高，孔的质量得到了明显的改善，热影响区、再铸层以及盲孔的锥度 都明显的减少【3 5 3 6 】。但是超卢辅助激光加：由于对一i ：件施加高频振动，易使零件、特别是硬脆 材料零件造成疲劳损伤。 ( 5 ) 加热加一l 区域 利用高功率的激光器则能够快速的加j 二陶瓷材料，具有良好的经济效益比，但再铸层及其 上的微裂纹是激光陶瓷加工工艺的致命缺陷。为了减少激光在陶瓷材料上打孔过程中产生的再 铸层、热应力以及微裂纹，采用了对陶瓷零件进行加热的措施。在激光打孔前后，在高温炉中 加热零件可以减弱温度梯度，使加： 产生再铸层上的微裂纹减少。如果在1 3 0 0 进行激光打孔 的同时，再辅以特制的等离子弧对加工区进行局部加热，则再铸层上的微裂纹又平均降低1 4 左右，而且孔径与上述打孔前后加热加工方式相比平均增加了1 2 t 3 7 】。 ( 6 ) 飞秒激光加：【 目前提高加工小孔、细槽、微缝等精细结构微观质鼍的主要技术措施之一就是采用更窄脉 宽、更高峰值功率的激光器，如飞秒( f s ，1 0 。5 s ) 脉冲激光加工，可以明显的减薄甚至消除再 铸层，减少热应力、微裂纹，飞秒激光的超快速时间和超高峰值特性将其全部能量迅速集中在 限定的加工区域，实现对材料的非热熔性冷处理，获得传统激光无法比拟的高精度、低损伤等 独特优势。【3 8 枷】。 4 南京航空航天大学硕十学位论文 激光在超短的时间内和极小的空间内与物质相互作用，作用区域内的温度在瞬间内急剧上 升，并将远远的超过材料的熔化和汽化温度，使得物质发生高度电离，并在激光脉冲的冲击作 用下，材料以等离子体向外喷发的形式得到了去除，并几乎带走了原有的全部能量。这一过程 中避免了热熔化的存在，实现了真正意义上的“冷”加：1 二。但研究表明，即使采用飞秒激光加 ：j = 也会在一定程度上存在再铸层，对所加工的零件表面产生质量影响。例如，采用飞秒激光加 工时，可以达到0 2 # m 的表面粗糙度，加工表面仍然有7 k t m 的再铸层存在，并且在再铸层下面 仍然有7 0 # m 厚的热影响区【4 l l 。 但是，飞秒激光器能量小，而且存在着快速“老化”问题，其频率稳定性、重复精度随使用 时间的增加而降低很快，即其使用寿命短，成本高。目前，飞秒脉冲激光加工还只是处在试验 室研究阶段，其应用前景首先还是在微电子学领域、光子器件和激光通讯领域、激光医疗和生 物上程等领域的超精密微细加工。 ( 7 ) 水导激光加工 瑞十联邦技术研究应用光电研究所( t h ei n s t i t u t eo fa p p l i e do p t i c so ft h es w i s sf e d e r a l i n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y ) 于1 9 9 3 年发明了水射流引导激光加工技术，该技术将聚焦激光束导入 具有传输引导激光作用的高速流动射流中，激光在水与空气界面发生多次全反射后形成高能束 流，利用激光和水射流的综合作用去除材料【4 2 删。美国的s o u t hm e t h o d i s t 大学的机械工程系对 此技术也进行了深入研究，建立了数学模型，通过对硅片开槽试验进行了验证，试验证实了其 数学模型仿真的准确性【4 5 l 。该技术能够对硅、陶瓷、硬质合金以及金属箔片进行高效快速的加 ：，在半导体和微电子工业，特别是对热敏感材料切割方面取的了显著的成果。 在国内哈尔滨_ 业大学机械制造及其自动化系千扬教授等对