能量耦合模型的飞秒激光烧蚀面齿轮形貌研究北大核心CSCD

飞秒激光精微加工面齿轮材料18Cr2Ni4WA是去除材料的先进制造方法。本文依据烧蚀凹坑的深度与宽度和激光能量密度的关系得到材料的烧蚀阈值和影响重叠率的因素。考虑齿轮材料成分间互温感应效应与多脉冲激光累积效应,建立材料的能量复耦合模型。通过改变激光能量密度和脉冲数,研究飞秒激光烧蚀凹坑及齿面形貌表面的变化规律,得出脉冲数对烧蚀效果影响小,激光能量密度为1.730 J/cm2激光功率为1.9 W脉冲数N=3000进行烧蚀效果最好可得到最优的实际烧蚀面深度为17.604μm。     

飞秒激光烧蚀齿面表层构态分析及其控制研究

为了分析飞秒激光烧蚀面齿轮齿面表层构成及其形态影响,本文针对面齿轮材料18Cr2Ni4WA,通过建立双温传热模型,模型采用向后有限差分法进行飞秒激光烧蚀数值模拟,研究飞秒激光烧蚀齿面的加工过程,分析能量密度对重铸层和热影响层的影响规律。结果显示:能量密度由173J/cm2增加至433J/cm2,重铸层厚度从068μm增加到102μm,热影响层厚度从096μm增加到135μm。针对重铸层的控制,本文实施了对面齿轮齿面的二次加工,实验结果表明:采用能量密度173J/cm2对齿面进行二次加工,加工后的齿面几乎没有重铸物残留,齿面平均粗糙度由0365μm降到了0185μm,有效地改善了面齿轮的加工质量,为提高飞秒激光精微烧蚀面齿轮精度提供了有益参考。     

基于复耦合模型的面齿轮飞秒激光加工参数影响研究

分析了飞秒激光精微加工面齿轮材料18Cr2Ni4WA的机理,在光子与电子,电子与晶格之间温度传递的双温模型的基础上建立了耦合动态热力学参数的复耦合模型,通过模型仿真分析,得出了电子与晶格的温度变化过程,预测了去除高于蒸发温度的材料烧蚀形貌。对面齿轮材料进行飞秒激光扫描加工实验,得出随着能量密度的增大,凹坑半径和深度都会有一定程度的增大,当能量密度为1.98 J/cm²时,烧蚀形貌较好,当能量密度继续增大达到2.18 J/cm²时,凹坑内部开始产生少量的熔融物堆积;随着脉宽的增大,形貌变化不大,但产生的熔融物逐渐减少,凹坑趋于平整;随着扫描速度的增大,沟槽的深度逐渐减小,宽度逐渐增大。采用三维超景深仪观测烧蚀形貌,实验结果与仿真结果基本一致,为飞秒激光精微加工面齿轮提供了依据。     

飞秒激光烧蚀齿曲面的复耦合模型及形貌影响

针对飞秒激光烧蚀齿曲面过程中能量累积效应与变离焦效应对齿面形貌与烧蚀尺寸的影响问题,建立飞秒激光烧蚀复耦合模型,通过有限差分法求解得到激光烧蚀面齿轮材料18Cr2Ni4WA的电子与晶格在不同的脉宽与能量密度下的温度变化分布,对烧蚀凹坑的深度及半径进行仿真。考虑激光束在加工齿面时,与被加工齿面之间存在倾斜角,根据光斑能量分布方式得到齿面底角与激光能量的定量关系,结合焦半径与折射率的变化,对飞秒激光烧蚀齿面深度、半径与形貌进行研究。通过实验得到当激光能量密度为1.783 J/cm²且被加工齿面底角过大时,激光能量降低烧蚀过程只发生在材料表面;当能量密度为2.376 J/cm²、激光脉冲数为3 000时,烧蚀凹坑的微结构细密良好。研究结果表明飞秒激光烧蚀曲面时,激光有效能量随着倾斜角的变化降低,同时激光光斑的能量分布影响了烧蚀凹坑深度的变化,可为提高飞秒激光加工齿曲面质量提供参考。     

飞秒激光烧蚀面齿轮材料的形貌特征研究

飞秒激光加工面齿轮材料18Cr2Ni4WA是一种面齿轮精微修正的新型加工技术。首先,根据烧蚀凹坑的直径和激光功率的定量关系得到激光的烧蚀阈值,根据烧蚀凹坑的深度和激光功率的定量关系得到材料的吸收系数。然后,考虑到能量累积效应,从高斯激光的聚焦方式考虑变离焦量效应,建立材料内部的能量吸收模型。最后,通过改变脉冲数和激光功率,研究飞秒激光烧蚀凹坑直径和深度的变化规律。实验结果表明,脉冲频率为200 kHz的飞秒激光脉冲数大于20时,烧蚀凹坑的直径和深度趋于稳定,这与理论结果相吻合。随着激光功率的增大,飞秒激光的加工质量有明显下降,当激光功率为1 W时,飞秒激光的加工质量良好且烧蚀深度足够深。     

不同银含量的Pd-Ag复合膜微结构光栅光纤 氢气传感特性

研究了不同钯银合金原子比例复合膜对微结构光纤光栅氢气传感特性的影响.使用飞秒激光在布拉格光栅光纤包层加工螺旋微结构,将磁控溅射方法制备的不同钯银原子比例的合金膜镀在螺旋微结构表面,研制优化钯银合金比例的新型微结构布拉格光栅光纤氢气传感器.采用扫描电子显微镜和能谱仪对Pd-Ag薄膜进行表征和分析,对三种不同钯银原子含量(Pd∶Ag=2∶1,4∶1,6∶1)的微结构布拉格光栅光纤探头进行氢气传感测试.在室温条件下,钯银原子比例为4∶1的微结构探头具有最佳的氢气传感性能,钯银原子比例为2∶1的微结构探头响应速度最快,但是灵敏度最低.在4%氢气浓度下,螺旋微结构传感器的漂移量达到107pm,对比同类型布拉格光栅光纤氢气传感器,具有更高的灵敏度和更快响应速度.     

飞秒激光烧蚀面齿轮的等离子体冲击波效应影响研究

针对面齿轮材料18Cr2Ni4WA在飞秒激光精微加工过程中产生的等离子体冲击波效应,建立了等离子体冲击波传播的压强方程、精微加工材料的波阵面温度模型。以脉宽、能量与离焦量作为变化参数,得到了冲击波传播半径随温度与压强的变化规律。试验验证了飞秒激光脉宽在300、500、800 fs时,单脉冲激光能量保持在15～25μJ,此时熔融层光滑平整,具有较好的烧蚀效果。相同脉宽下,过高的能量导致熔化材料过多,凹坑深度加深以致于排出效果降低,在凹坑壁形成高低不平的波峰。使用较高能量参数对材料进行变离焦量烧蚀时,随着正离焦量增大,边缘热影响区域增大。同时,等离子体冲击波对液态材料的排出效果由于离焦变化而降低。验证了等离子体冲击波效应模型,达到了实际烧蚀效果。