碳纤维复合材料的激光清洗等离子体光谱在线检测研究

近年来碳纤维复合材料（CFRP）由于性能优异,受到工业领域广泛关注。采用激光清洗技术预处理碳纤维复合材料表面的污染物和环氧树脂等杂质,有利于改善碳纤维复合材料表面性能,提高碳纤维复合材料胶接界面的结合强度。在线检测激光清洗过程,实时判断碳纤维复合材料的表面清洗质量,是保证激光清洗效果的关键环节,也是激光清洗装置自动化、集成化的核心技术。激光诱导等离子体光谱技术可以快速分析材料表面元素变化,实现在线检测激光清洗表面状态,在激光清洗领域有很广的应用前景。采用Nd∶YAG高能量脉冲激光器产生的1 064 nm激光在空气环境中诱导产生等离子体,利用改进型光栅光谱仪(ME5000)获取等离子体光谱,在线检测激光清洗碳纤维复合材料。研究外界空气环境对等离子体光谱检测结果的影响,发现350~700 nm波段的元素谱线可用于碳纤维复合材料表面物质成分分析;采用电子扫描显微镜观测的激光清洗表面形貌和X射线电子能谱仪测得的元素变化共同表征等离子体光谱检测的有效性,通过采集不同激光能量以及不同作用次数的等离子体光谱图,获得碳纤维复合材料表层树脂物质通过激光单次清洗干净的阈值,研究激光清洗质量与激光诱导等离子体谱线成分及其强度变化的关系。结果表明：在获取的激光诱导等离子体光谱中,光谱图中谱线波长在393.3 nm的S(Ⅱ)和589.5 nm的S(Ⅱ)谱线可有效在线表征碳纤维复合材料表面清洗质量;激光单次去除干净表面环氧树脂的阈值为10.68 mJ;低激光能量时需要清洗多次可以去除干净表面树脂;高激光能量时清洗单次可使表面树脂去除干净,多次清洗易造成基体损伤。实验结果为激光清洗碳纤维复合材料的智能集成化应用提供工艺依据和技术支持。     

激光珩磨专用机床的运动控制研究

 以发动机气缸/活塞环摩擦副为具体研究对象,研制了一种新型激光珩磨设备。由于发动机汽缸套载重大,且形状不规则,故设备采用激光头既旋转又直线运动的运动方案。该设备在移动轴和转轴中分别安装有高精度光栅尺和高精度增量旋转编码器以提高运动控制系统的精度。为了使微凹腔沿圆周均匀分布,采用了小数分频原理,能够实现任意小数分频。通过对运动控制卡与自制的调Q控制卡的软件编程,实现了运动控制系统与激光系统的协同控制,用以在气缸表面加工出特定的微观形貌。加工方法采用的是“单脉冲同点间隔多次”的激光微加工新方法。利用该方法能够方便地加工出微观或宏观的形貌且能显著地减少激光加工所带来的负面热效应。     

模具钢表面激光毛化工艺的试验研究

以模具工业45^#钢摩擦学设计及性能要求为基础，分析了激光毛化模具钢表面形貌的形成机理及其关键的影响因素。采用灯泵浦Nd：YAG脉冲激光器在试样表面进行激光毛化工艺试验，获得了合理的激光毛化参数范围：激光峰值功率0．8～1．6kW，离焦量-1．4～-0．4mm、＋0．4～4-1．4mm，辅助气体压力〉0．2MPa，脉宽1．8ms。采用功率增益和氧气保护，可加工出预先设定的微火山口状毛化形貌。微凹坑形貌的成功获得对于提高拉伸模具的摩擦磨损性能，进一步掌握激光毛化参数与材料的作用规律，提供了有效的数据参考。     

激光毛化微凸形模具钢表面摩擦磨损性能研究

采用调Q灯泵浦YAG激光器,对模具钢试件表面进行了不同尺寸和分布的微凸体形貌激光毛化加工.在UMT-Ⅱ型多功能摩擦磨损试验机上,进行了模具钢试件不同激光毛化表面形貌之间以及与光滑模具钢试件的摩擦磨损性能对比试验研究.结果表明:在模拟冷冲拉延模具低速重载的工况条件下,不同激光毛化微凸体形貌模具钢在摩擦系数和体积磨损量存在一定的差异,且与未毛化模具钢试样相比,其摩擦系数变大,体积磨损量减小.随着微凸体直径、间距的增大,模具钢表面摩擦系数相应减小,体积磨损量亦逐渐减小.说明激光毛化技术可用于优化模具复杂型面的摩擦特性.     

基于特殊激光微造型工艺的控制方法研究

鉴于激光表面微造型技术加工金属材料时会带来较严重的负面热效应,提出"单脉冲同点间隔多次"的激光微造型新方法.通过对运动控制卡与自制的调Q控制卡的软件编程,利用声光调Q技术及伺服控制,完成了运动控制系统与激光系统的协同控制,从而实现激光加工新方法.整个系统通过工控机集中控制,利用该方法能够高效率加工出微观或宏观的造型形貌,且能显著减少激光加工所带来的热效应负面影响.该控制系统可在摩擦副表面加工出优化设计的微观形貌.经实际加工验证,设备能够满足加工要求且能获得较好的微观形貌和表面质量.