氮化硅陶瓷水下激光与超声复合加工方法及其机理研究.pdf

第 53 卷第 7 期 2017 年 4 月 机 械 工 程 学 报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vol 53 No 7 Apr 2017 DOI 10 3901 JME 2017 07 207 氮化硅陶瓷水下激光与超声复合加工方法及其机 理研究 姚燕生 1 袁珠珠1 王园园1 陈雪辉1 袁根福1 2 1 安徽建筑大学机械与电气工程学院 合肥 230022 2 江南大学机械工程学院 无锡 214122 摘要 陶瓷材料具有强度高 硬度大 耐高温 耐腐蚀 耐磨损等优点 但同时也具有难加工的缺点 研究水下激光去除材 料的热学模型与氮化硅水解反应 建立水流辅助超声与激光复合加工试验装置 分别开展不同条件 不同参数下对氮化硅的 刻槽加工试验 并采用影像仪和电子显微镜对刻槽深度与表面质量观测比较 应用能谱仪检测生成物成分 综合分析加工机 理 研究结果表明在有水辅助激光加工氮化硅过程中 因水的冷却作用减少了激光去除材料的有效能量 刻蚀深度随之变小 但激光作用区的温升加剧氮化硅水解 同时水流带走二氧化硅等生成物 促使加工表面质量明显提高 在水下激光与超声复 合加工中 超声振动加大了氮化硅表面水的对流与物质的抛出 提高了刻蚀速率 关键词 氮化硅 水辅助 激光与超声复合加工 机理 中图分类号 TG4 Research on Ultrasonic laser Machining Underwater and Its Mechanism for Silicon Nitride Ceramics YAO Yansheng1 YUAN Zhuzhu1 WANG Yuanyuan1 CHEN Xuehui1 YUAN Genfu 1 2 1 School of Mechanical and Electrical Engineering Anhui Jianzhu University Hefei 230022 2 School of Mechanical Engineering Jiannan University Wuxi 214122 Abstract Ceramic material has the advantages of high strength high hardness high temperature resistance corrosion resistance wear resistance and so on but also has the disadvantage of difficult processing The thermal model of the underwater laser material removal and the hydrolysis reaction of silicon nitride are studied Laser etching experiments on silicon nitride under different conditions and different parameters are applied by the combined device of water assisted ultrasonic laser machining The depth and surface quality of grooves etched are investigated by the image instrument and the electron microscope and the composition of the product is detected by the spectrometer in order to discover the mechanism of laser combined processing Results show that in the process of water are assisted laser machining of silicon nitride due to the cooling effect of water reduces the effective energy of material removal and etching depth becomes small However surface quality is greatly improved with water because the zone of action of laser temperature increased hydrolysis of silicon nitride and the water jet flow away silica product In the approach of water is assisted by ultrasonic laser machining ultrasonic vibration increases water convection and particle motion near the material surface then corrosion rate is improved Key words silicon nitride water assisted ultrasonic laser machining mechanism 0 前言 早在 20 世纪 70 年代日本 MASAKI 等 1 提出并 开展了超声振动与激光复合加工铝的研究 振动加 入后能加速材料的分裂与熔渣的抛出 提高了加工 尺寸精度与内孔表面光洁度 20 世纪 90 年代初香 国家自然科学基金 511752290 安徽省自然科学基金 1208085ME79 和安徽省高校自然科学研究 KJ2015A013 KJ2015A050 资助项目 20160211 收到初稿 20161108 收到修改稿 港LAU和YUE等 2 3 对高速钢进行超声振动辅助激 光加工 并采用有限元法进行加工过程的建模 理 论分析与试验结果均说明这种加工方法可减小深小 孔热影响区和重熔层 并能提高盲孔深度 新加坡 学者 ZHENG 等 4 提出超声振动辅助飞秒激光加工 方法进行材料的微孔烧蚀 试验证明超声振动的辅 助作用 可提高加工孔内表面的精度和孔的深径比 台湾的 CHIU 等 5 利用 KrF 准分子激光对 PZT 压电 陶瓷 进行超声振动辅助加工 试验表明超声振动的 加入可以提高所加工孔洞的深度 加工速度和表面 机 械 工 程 学 报 第 53 卷第 7 期期 208 光洁度 PARK 6 设计了超声振动物镜导光装置 开 展激光对铜材料打孔的试验研究 之后KANG 7 将 其改变为工件超声振动 对回火钢进行刻蚀试验 发现加工表面凝固的纳米颗粒更加细小 密集 分 布均匀 WU 等 8 9 开展了工件水下浸没方式的激光 与超声复合微加工技术研究 采用纳秒激光器对高 纯度铜进行孔烧蚀试验 水下加工熔渣明显减少但 刻蚀量也明显减小 在增加超声振动辅助后刻蚀深 度有一定的提高 YAO 等 10 11 提出了流动液流辅助 激光与超声复合加工硬脆性材料的思路 并设计了 复合加工装置 陶瓷材料具有在高温下强度高 硬度大 抗氧 化 耐腐蚀 耐磨损 耐烧蚀等优点的 在空间技 术 军事技术 原子能 机械与化工设备等领域中 有重要应用 本文以在工业中称之为万能陶瓷的氮 化硅材料为对象 开展了水辅助激光与超声复合加 工理论与试验研究 并分析其复合作用机理 1 氮化硅陶瓷材料去除理论基础 氮化硅制品热压烧结成型后主要依赖金刚石 等超硬刀具进行机械加工 但加工效率低 对工具 头无法触及的孔槽则无法加工 随着先进制造技术 飞速发展 激光加工已成为对各种工程陶瓷精密复杂 加工极为有效的手段 但有关氮化硅材料的激光加工 技术 以试验研究较为常见 理论研究的不多 12 21 1 1 氮化硅陶瓷材料热加工性能 本文研究对象选择气压烧结氮化硅陶瓷 材料 纯度 99 室温条件下基本参数见表 1 采用金刚 石锯片切割制作试样 尺寸为 20 mm 20 mm 8mm 表面粗糙度为 0 8 m 表 1 氮化硅的物理常数 参数 数值 密度 g cm3 3 2 3 3 硬度 HRA 90 92 断裂强度 MPa 600 1 200 弹性模量 105MPa 2 9 3 2 泊松比 升华温度 0 25 1 900 比热容 J g K 0 71 热导率 W m K 23 28 线膨胀系数 1 2 8 10 6 1 氮化硅热失效性能 材料的热失效性能反 映其耐热性能 可用热应力断裂抵抗因子 1 R表 达 13 即 1 1 f l R E 式中 f 断裂强度 泊松比 l 线膨胀系数 E 弹性模量 氮化硅陶瓷具有较低的线性膨胀系数 具有较 高的抗热应力断裂与损伤性能 2 氮化硅烧蚀阈值 烧蚀阈值反映材料去除 加工性能 氮化硅陶瓷烧蚀阈值为其分解或蒸发所 需要的功率密度 q0 有如下公式 14 0 2 p Tk q t p k c 0s TTT 式中 k 热导率 p t 热源作用时间 热扩散率 材料密度 p c 比热容 0 T 初始温度 环境温度 s T 材料熔化 或直接气化 或分解温度 激光去除氮化硅陶瓷条件为 0 q rq q r即 其功能密度 1 2 激光去除材料热学模型 1 2 1 激光作用于材料的热传导公式 15 当固体工件与激光束之间存在运动时 忽略物 质内部摩擦 在直角坐标系 x y z 中激光作用于 材料能量传递关系为 222 222 p TTTT ck txyz p TTT c vx y z t xyz 1 式中 t 时间变量 热源每单位时间内单位体积传递热给 固体材料的加热速率 T 温度 v 光束移动 扫描 速度 当热源在表面作用为高斯分布时 则 22 22 222 exp L p Pxy x y z tz cRR 2 将式 2 代入式 1 得到本研究中采用的高斯分 布热源激光加工的热传导计算公式 可以得到激光 作用区域温度场的分布 1 2 2 激光去除材料模型 为了在不同的激光加工过程中能给出最大刻 蚀深度 依据激光烧蚀前沿上的热平衡和热传导方 月 2017 年 4 月 姚燕生等 氮化硅陶瓷水下激光与超声复合加工方法及其机理研究 209 程可建立激光去除材料的普遍模型 16 当激光功率 密度按高斯分布进行激光切割与铣削时 激光束作 为一个运动热源在材料上以常速扫描 如图1控制 表面微元有热平衡关系 222 0exp d dd d tanaJxyRx yLv x y 1 22 2 0 d d d1tantan d n T kx y n 3 式中 a 材料吸收率 导温能力 0 J 激光功率密度峰值 R 光斑半径 L 融化潜热 n 法向坐标 图 1 激光烧蚀过程解析模型 在激光光斑中心 即激光强度最大位置有 1 22 2 0 0 dd 1tantan tan dd n TT n 式中 是平行底面的坐标 激光水下复合刻槽加工相当于激光铣削 在烧 蚀前沿的温度分布对于固定在光束上的坐标是不变 的 则随时间变化的温度能变化为随空间变化 此 时符合动热源理论 一个稳定的温度场把热转换问 题化为稳态热传导 有 d d TTxT v txtx 222 2 222 d d TTTvT T xxyz 根据图1中坐标关系有 1 2 22 2 tan tan TT xz TT yz TTTT nxyz 由于n是烧蚀前沿表面法向坐标 故有 2 2 2 T T n 由上述关系可得到 1 22 2 tan 1tantan TT xn 结合 222 2 222 d d TTTvT T xxyz 可得 2 22 tan 1tantan vTT nn 法向坐标温度服从下述边界条件 在0n 时 s TT 在n 时 0 TT 故介质内部的温度 分布为 2 1 02 2 tan exp1 1tantan s s TTv n TT 烧蚀前沿上的温度梯度能确定为 0 1 022 2 tan 1tantan s n Tv TT n 4 式 4 代入热平衡方程式 3 右部可得 0 1 22 2 d d d tan d d d 1tantan n T Lv x ykx y n 0 0 d d tantan d d d d tantan d d s ps v Lv x ykTTx y Lv x yvcTTx y 经解析槽体的斜度 存在 22 22 0 exp tan ps aPxy RR v cTTL 深度微元量dtan dsx 则激光刻槽深度 tan dsx 在y 0位置 经积分得刻槽最大深度值 1 2 0 2 ps aP s vd cTTL 式中 d 激光光斑直径 对氮化硅来说主要为直接分解 不存在熔化潜 热 L 0 分解温度 s T一般为1 900 左右 环境温 度取为20 则对氮化硅刻槽 机 械 工 程 学 报 第 53 卷第 7 期期 210 1 2 940 p aP s vdc 5 由于氮化硅分解产生液态硅很难完全喷射出 来 所以会对材料去除深度有所影响 计算值与实 际值可能会有很大偏差 1 2 3 激光水下复合加工材料去除模型 引入水流作用于激光加工位置进行复合加工 时 由于水的对流热交换系数远高于空气 此时加 工表面的热对流对温度场影响极大 对激光水下复 合刻槽加工过程进行建模需要考虑对流项 若脉冲 激光在穿透水层时 可以忽略光束发生的变化 且 激光能量全部被材料表面吸收 则在激光与水流 气流综合热作用下 根据图1中材料微元得到的能 量Q建立水下热平衡关系如下 222 00 1 22 2 0 exp d d d d d d d tand d 1tantan d n QaJxyRx yh TTx y T Lv x ykx y n 6 式中 h 对流热交换系数 同理将式 4 代入式 6 则热平衡方程为 222 00 0 exp d d d d d d tantan d d ps aJxyRx yh TTx y Lv x yvcTTx y 同理 可求得激光刻槽时tan 的表达式 复合 刻腐蚀加工槽深tan dsx 当 0y 位置上激光刻蚀深度最大 22 00 0 exp d ps aJxRh TT sx pv LcTT 对氮化硅有L 0 并将上式分为两部分 22 0 0 00 exp dd psps aJxR h TT sxx pvcTTpvcTT 7 式 7 中前部积分如式 5 后部的材料表面温度 T为x的函数 对流热交换系数h随表面温度和水 层参数 流动速度 厚度 压力等 影响而变化 若 按强制对流模式 其值在1 000 15 000 J m2 s 范围内变化 实际热传递中影响对流传热强弱的主 要因素有 对流运动成因和流动状态 流体 的物理性质 随种类 温度和压力而变化 传热 表面的形状 尺寸和相对位置 流体有无相变 如 气态与液态之间的转化 所以式 7 后部可定性地分 析对流热量对深度的影响 但具体值尚难解析 1 3 氮化硅陶瓷高温水解材料去除机理 氮化硅化学性质特别稳定 一般情况下难以发 生反应 但加热温度超过1 900 时 氮化硅发生 分解为液态硅与氮气 Si3N4 3Si 2N2 常温时 即使在强搅拌 超声波振动 条件下 24 h内水解率不超过1 17 文献 18 揭示了在水润 滑下摩擦时 氮化硅发生氧化和水解反应 由试验 证明摩擦面上存在凝胶态的无定形SiO2和SiO2晶 体 水解方程式写为 Si3N4 6H2O 3SiO2 4NH3 同时相关研究 18 20 表明 氮化硅颗粒氧化和水 解时表面有硅氮烷 Si NH2 硅烷胺 Si2 NH 硅烷 醇 Si OH 以及硅氧烷 Si O Si 等表面基团 存在 以下水解反应过程 Si3N H2O Si2NH Si OH Si2NH H2O Si NH2 Si OH Si NH2 H2O Si OH NH3 当温度升高时会使氮化硅颗粒表面富氧层中 的相邻Si OH 基团发生脱水反应而生成Si O Si基 团 当激光带来高密度能量作用于水下氮化硅势必 带来Si OH 基团加速发生脱水 引发更为剧烈的水 解反应生产二氧化硅 2 氮化硅陶瓷水下激光与超声复合 加工试验 2 1 复合加工方法与装置 激光与超声复合加工是将激光能量 超声振动 能结合起来的加工方法 下文将分别在无水条件下 和水环境下采用激光与超声复合加工方法对硬脆材 料进行表面划线 烧蚀刻槽 开展试验研究 试验 装置主要包括三个部分 激光设备 超声振动平台 和水流系统 如图2所示 选用的激光加工系统是HGL VIB型激光加工 机 如图2b所示 该激光设备是一种Nd YAG固 体脉冲激光加工机 包括Nd YAG激光器 激光 电源 光学系统 冷却系统 控制系统等 最大工 作电流300 A 激光功率500 W 激光器主要参数 波长1 06 m 脉冲宽度0 20 0 ms连续可调 脉 冲频率0 100 Hz连续可调 加工时采用0 5 MPa 的压缩空气作为辅助气体 喷嘴直径约为2 mm 工作台主要参数 定位精度 0 02 mm 移动速度范 围0 2 m min 试验参数范围选择 激光器电流 月 2017 年 4 月 姚燕生等 氮化硅陶瓷水下激光与超声复合加工方法及其机理研究 211 150 300 A 按线性对应关系功率为250 500 W 脉宽0 6 1 2 ms 频率20 100 Hz 激光光斑直径 通常控制在100 m或以下 实际工作中最大不超 过200 m 将以上参数代入激光能量公式可以得到 激光加工试验中最小能量密度约为2 106 mJ cm2 所选激光设备功率密度等级满足激光烧蚀要求 图 2 激光与超声复合加工平台 2 1 1 超声振动平台设计 超声振动平台主要部件为竖直方向振动单自由 度振板 尺寸为250 mm 150 mm 1 5 mm 材料为304 不锈钢 四角固定安装于盒体内 板上设计有工件 试样夹具 振板下面安装换能器 3个28 kHz的换 能器为直线均匀布置 数字式他激超声波发生器主 要参数 输入电压 AC220 V 10 V 频率在13 kHz 75 kHz 输出功率 0 300 W 连续可调 试验测得 振板振幅可达到4 mm左右 满足复合加工要求 2 1 2 水流系统设计 水流进给装置大致包括 水枪 水枪固定装置 水管 高压泵 溢流阀 储水槽等 在超声辅助激 光加工中 希望实现射流跟随激光头的加工路径 以束状与激光头保持适当夹角冲刷加工试样的表 面 贴合材料表面 水膜波动较小 为此利用气流 气压适当地控制水膜膜厚 贴合材料表面保持稳定 结合试验效果 水流注入点设计为前置 其速度15 mm s左右 同轴输送0 5 MPa压力气流 2 2 复合加工试验与结果 在构建了试验装置并制作试样后 设计不同加 工参数组合进行激光复合加工刻槽试验 采用二维 显像仪和体视显微镜对刻槽截面形貌进行观察并对 槽体截面进行了尺寸测量 利用SEM和SEM EDS 等检测工具对该加工参数下的刻槽进行微观形貌的 观察和表面成分分析 来分析复合加工方法刻蚀氮 化硅陶瓷的效能和作用机理 2 2 1 几种复合刻蚀加工槽体的观测 在无水条件下进行激光与超声复合加工时 极 易在刻槽中产生熔渣粘附 如图3a和图3b所示 其中激光电流为200 A 激光频率为50 Hz 激光脉 宽为0 6 ms 超声功率为83 6 W V形槽内充满 熔渣 因两侧熔渣较多 很难准确测出实际刻除空 间 故在本文中槽体深度定为激光最大刻蚀区深度 槽宽测量包括侧壁熔渣部分 但水下激光刻蚀的 V 形槽较清晰 图3c和图3d 槽内熔渣较少 槽宽大 于无水时的槽体宽度 含熔渣附着层 但因为水层 吸收部分激光能量 故槽深小于无水条件时刻蚀深 度 此变化规律与第2 2节中数学模型吻合 图 3 激光与超声复合刻蚀氮化硅陶瓷截面形貌图 2 2 2 刻蚀试验结果与数据分析 本文主要研究目是搞清水加入与超声振动加 入对激光刻蚀效果的影响及其作用机理 为此分别 做了无水单纯激光 无水有振动复合激光 有水无 振动复合激光 有水有振动与激光复合的不同参数 组合加工试验 主要测量激光对氮化硅刻蚀深度 对比研究其内在规律 试验中均加入与激光同轴气 流助吹 激光试验参数均在电流200 A 频率50 Hz 机 械 工 程 学 报 第 53 卷第 7 期期 212 脉宽0 6 ms数据点上做单因素变化 1 有无水复合加工试验对比 在不加振动时 相对无水参与的激光刻蚀深 度 所有有水条件下的刻槽深度均要小一些 部分 数据相差较大 这其中因为水流的冷却作用减少了 激光的有效刻蚀能量 如图4所示 当激光设备电 流超过160 A时 无水辅助时激光能量即使增加也 几乎不能提高刻槽深度 但有水参与时 刻蚀量逐 渐升高 对脉宽超过1 0 ms后 无水时刻蚀增加已 经非常有限 而有水时虽然刻蚀量相对小一些 但 仍能继续变大接近无水时刻蚀的最大深度 激光频 率在30 60 Hz时 两者刻蚀深度均表现增加趋势 图 4 无振动时激光参数对刻槽深度的影响 在施加振动时 图5中有水条件下复合加工刻 蚀深度要小于相同参数下无水刻槽的深度值 激光 电流 脉宽与重复频率等参数变化引起刻蚀量变化 的趋势与图4中类似 以上试验表明水的引入对刻蚀加工影响较大 图 5 有振动时激光参数对刻槽深度的影响 2 有无超声复合加工试验对比 图6反映了在空气环境下 无水 超声振动的加 入会加大激光刻槽深度 可见超声振动在此情况下 的起到辅助加工的作用 在脉冲宽度大于0 8 ms时 有振动的刻槽深度增加明显 如图7所示 有水加入激光加工时超声振动会 月 2017 年 4 月 姚燕生等 氮化硅陶瓷水下激光与超声复合加工方法及其机理研究 213 加大刻槽深度 而且在激光电流增加到240 A和50 Hz以上仍保持良好的增长幅度而不减小 说明振动 的加入随激光能量增大而效果更明显 脉宽增加代 表单脉冲能量增加 当脉宽达到1 2 ms以后 出现 刻蚀深度的略微降低 图7b 很大可能是因为激光 能量增加到一定高度后 熔池加大导致熔渣排出困 难 但在一定的参数范围内 脉宽增加明显促进刻 蚀量的提高 结合图4 图7c可发现脉宽为非常关 键的控制参数 图 6 无水加入时激光参数对刻槽深度的影响 3 不同超声功率参数对激光水下刻槽的影响 由图8可知 在振动功率较小时 水层影响激 光刻蚀量而使其变小 但随着功率增大 刻蚀深度 图 7 有水加入时激光参数对刻槽深度的影响 逐渐增大 当超越一定数值后增长平缓 以上试验 结果说明超声振动能量在复合加工中起辅助作用 激光加工参数仍是主要控制因素 2 3 表面质量与能谱分析 由上文几种复合加工结果对比可以看出 水的 加入促使激光刻蚀槽体边缘清晰 熔渣极少 由此 说明水参与了激光加工 结合第2 3节中氮化硅特 性分析 氮化硅陶瓷在水中激光刻蚀时应该发生较 强的水解反应 为分析激光在空气中以及水下刻蚀 加工的氮化硅表面带来的变化 通过电子显微镜能 谱分析来进一步研究 图9 机 械 工 程 学 报 第 53 卷第 7 期期 214 图 8 超声振动功率对应水下刻槽深度的关系 图 9 加工后表面 SEM 照片与能谱分析 由图9a可见在空气助吹时 氮化硅激光烧蚀区 中除蒸金处理带来的Au元素和烧结过程中添加的 极少量Ti2O3和MgO带来的Ti与Mg元素 Si元 素峰值极高 O元素次之 比例较小 但比氮化硅表 面吸附的氧要高得多 但N元素未显示 微量的C 元素可能来源于空气污染或由X射线探测器引起 同时参考文献 21 研究结果 可推断在空气助吹下 激光烧蚀氮化硅发生如下反应 Si3N4 s 3Si l 2N2 g Si3N4 s 3 2 O2 g 3SiO g 2N2 g SiO g 1 2O2 g SiO2 s 由于液态Si与固态SiO2不能完全排出槽外 冷却后重铸成微米级树突结构附着于槽壁 实测完 全蚀除空间宽度在50 100 m 另外部分产物在槽 口两边冷凝堆积 使得槽体表面质量非常差 如图9b 当有水加入激光刻蚀的氮化硅表面发 生了明显变化 槽体总体轮廓清晰 尺寸一致 仅 在槽体内壁有一些带胶体表面的凸包 槽口表面平 整几乎无重熔物出现 根据凸包点能谱分析可以推 测其主要为Si OH 4与SiO2 再观测到加工表面区 域有白色粉末 说明在激光带来的高温与水的综合 作用下氮化硅发生了强烈的水解反应 生产了较多 SiO2颗粒并可由水流带出 加工效果与表面质量明 显提高 水解反应式可写为 Si3N4 s 6H2O l 3SiO2 s 4NH3 g 3 复合加工作用机理分析 综合激光烧蚀材料热学模型与试验 可以探明 氮化硅激光复合刻蚀机理 在激光辐射氮化硅材料 当温度上升到1 900 或以上时氮化硅发生分解反 应 分解产物主要为硅 在温度不超过2 900 时呈 现为液态 在无水参与时部分液态硅接触氧气生成 二氧化硅 激光烧蚀过程中部分产物逸出材料 部 分结晶于加工区内壁呈树突状 部分在槽口形成重 熔 在有水辅助激光加工中 材料在烧蚀的同时会 接触水层 因高温促进氮化硅水解反应 生成Si OH 基团与Si O Si基团 二氧化硅与硅酸等 在激光 的强热作用下硅酸脱水转化为二氧化硅 二氧化硅 颗粒在激光冲击与水流冲刷过程中被大部分带出 槽内氮化硅基体进一步暴露 从而有利于激光去除 加工和材料水解反应的增强 但由于水极强的热对 流冷却作用减少了有效去除材料的激光能量 所以 刻槽深度会较单纯激光加工的深度值小 在水辅助激光加工有超声振动材料时 振动加 剧了被去除材料抛出 加强了加工面与水接触从而 加速水解 也促进了微细颗粒剥脱 从而增加激光 刻蚀深度 同时振动也加速了水与材料的热传导 加强了对流冷却 使激光击穿水后发生刻蚀加工的 实际能量减少 相对降低了激光刻蚀量 综合两者 带来的影响 当加入超声振动时的材料去除量较未 加振动的要大 有超声振动作用时氮化硅水解所产 生的硅胶 二氧化硅等和激光加工产物形成混合凝 胶也会附着于加工表面 不能完全脱落而被拉长冷 凝变成为碎片状或絮状结构 反而出现不如水流辅 助激光加工的槽体表面加工质量好 4 结论 1 对氮化硅的难加工特性进行了介绍分析 月 2017 年 4 月 姚燕生等 氮化硅陶瓷水下激光与超声复合加工方法及其机理研究 215 在氮化硅单纯激光加工材料去除模型的基础上建立 了考虑热对流的水流辅助激光加工的材料去除模 型 搭建了水流辅助激光与超声复合加工试验装置 研究了有关参数对材料去除量的影响 并对加工试 样槽体的几何形貌与表面成分进行了分析 总结了 有水参与激光加工氮化硅与水下激光与超声复合加 工机理 2 研究表明有水辅助激光加工氮化硅 因水 的冷却作用 激光有效去除材料能量减小 刻蚀深 度较单纯激光加工小 但表面质量因水解与水流冲 刷作用而变好 在水辅助激光复合加工同时工件施 加高频振动 将明显有利于氮化硅刻蚀速率的提高 但超声振动与强对流对所刻槽内微观形貌会带来一 定的影响 参 考 文 献 1 MASAKI M HIROYUKI K Study on ultrasonic laser machining J Annals of the CIRP 1976 25 1 115 119 2 LAU W S YUE T M WANG M Ultrasonic aided laser drilling of aluminum based metal matrix composites J CIRP Annals Manufacturing Technology 1994 43 1 177 180 3 YUE T M CHAN T W MAN H C et al Analysis of ultrasonic aided laser drilling using finite element method J CIRP Annals Manufacturing Technology 1996 45 1 169 172 4 ZHENG H Y HUANG H Ultrasonic vibration assisted femtosecond laser machining of microholes J Journal of Micromechanics and Microengineering 2007 17 8 N58 5 CHIU C C CHANG C H LEE Y C Ultrasound assisted laser machining and 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