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水导激光制备镍基单晶高温合金微孔工艺试验研究

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中国激光 2024年第16期 285-294页

作者：王顺山乔红超曹治赫梁金盛韩东宇赵吉宾中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室中国科学院机器人与智能制造创新研究院中国科学院大学

为了改善水导激光制备单晶镍合金微孔的表面形貌，降低微孔锥度，采用控制变量法研究了在单步螺旋打孔方法下，激光单脉冲能量、扫描速度、进给次数和扫描圈数对微孔表面形貌及锥度的影响规律。提出了多步螺旋打孔方法，并在优选加工参... 详细信息

为了改善水导激光制备单晶镍合金微孔的表面形貌，降低微孔锥度，采用控制变量法研究了在单步螺旋打孔方法下，激光单脉冲能量、扫描速度、进给次数和扫描圈数对微孔表面形貌及锥度的影响规律。提出了多步螺旋打孔方法，并在优选加工参数组合下与单步螺旋打孔方法进行了比较。结果表明，增加单脉冲能量和降低扫描速度可以改善微孔表面形貌，减小微孔锥度。随着进给次数的增多，微孔表面形貌逐渐变好，微孔锥度先减小后饱和。随着扫描圈数的增多，微孔表面形貌逐渐变差，微孔锥度先增大后减小。采用多步螺旋打孔方法加工的微孔锥度仅为0.29°，比单步螺旋打孔方法降低了70%，且尺寸偏差和圆度都控制在20μm以内。

关键词：激光技术水导激光螺旋打孔高温合金表面形貌锥度

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水导激光切割TC4钛合金表面形貌特征分析

应用激光 2024年第6期44卷 96-102页

作者：郭翰铭邢飞刘伟军卞宏友锁红波李佳明宿佳琪沈阳工业大学机械工程学院辽宁沈阳110870 南京中科煜宸激光技术有限公司江苏南京210038 东北大学材料科学与工程学院辽宁沈阳110819

为探究水导激光加工后TC4钛合金材料表面形貌特征,利用Synova公司生产的LCS305水导激光加工设备对2 mm厚TC4钛合金轧制板材进行切割试验。采用CCD工业体式显微镜、扫描电子显微镜及光学轮廓仪对切割表面形貌进行了分析。试验结果表明,... 详细信息

为探究水导激光加工后TC4钛合金材料表面形貌特征,利用Synova公司生产的LCS305水导激光加工设备对2 mm厚TC4钛合金轧制板材进行切割试验。采用CCD工业体式显微镜、扫描电子显微镜及光学轮廓仪对切割表面形貌进行了分析。试验结果表明,水导激光加工后的TC4钛合金切割表面会产生横向条纹,且横向条纹数目与水导激光扫描周次相同;TC4钛合金切割表面根据特征的不同可以分为4种区域,即隆起区、凹陷区,碎石区、波纹区,并对各区域的形貌及产生机制进行初步分析。

关键词：水导激光 TC4钛合金切割宏观形貌特征微观形貌特征

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CFRP复合材料水导激光切割损伤机理研究

中国机械工程 2024年

作者：陈忠安包彬颖张广义潮阳王玉峰姚喆赫焦俊科张文武中国科学院宁波材料技术与工程研究所全省航空发动机极端制造技术研究重点实验室浙江工业大学机械工程学院扬州大学机械工程学院

水导激光加工技术具有热损伤小、深度能力强、对材料的普适性等优势，是碳纤维增强聚合物(carbon fiber reinforced polymer， CFRP)复合材料理想加工手段之一。CFRP在水导激光加工后，存在切缝表面和横截面热损伤，这些损伤是影响材料... 详细信息

水导激光加工技术具有热损伤小、深度能力强、对材料的普适性等优势，是碳纤维增强聚合物(carbon fiber reinforced polymer， CFRP)复合材料理想加工手段之一。CFRP在水导激光加工后，存在切缝表面和横截面热损伤，这些损伤是影响材料力学性能、降低材料服役性能的重要因素。针对上述存在问题，采用试验方法分析了加工参数对沟槽几何形貌和表面形貌的影响规律，研究了沟槽表面和横截面热损伤的形成机理。研究结果表明：高激光功率、低脉冲频率和低切割速度，可有效提高沟槽深度；激光与材料的相互作用和水射流的冲刷作用是形成沟槽表面热损伤的主要原因。2mm厚CFRP切割试验中发现：横截面热影响区宽度与纤维排布方向有关，0°碳纤维热影响区宽度最大，45°和135°碳纤维热影响区宽度次之且宽度相近，90°碳纤维热影响宽度最小；另外，提高水射流速度有利于抑制热影响区的扩展，水射流速度由80m/s增加至120m/s，最大热影响宽度缩小35.7%。

关键词：水导激光 CFRP 几何形貌损伤机理

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水导激光加工光源选型与材料蚀除研究

北京理工大学学报 2022年第1期42卷 36-45页

作者：李靖怡李元丁烨王扬杨立军哈尔滨工业大学机电工程学院黑龙江哈尔滨150000

水导激光加工系统中光源的输出参数对其加工能力有极为重要的影响.为进一步拓宽水导激光加工的应用领域,针对光源选型问题,建立了激光与水相互作用的物理模型.利用龙格库塔方法对不同脉宽和波长的激光辐照下水中焦点区域自由电子密度的... 详细信息

水导激光加工系统中光源的输出参数对其加工能力有极为重要的影响.为进一步拓宽水导激光加工的应用领域,针对光源选型问题,建立了激光与水相互作用的物理模型.利用龙格库塔方法对不同脉宽和波长的激光辐照下水中焦点区域自由电子密度的演变过程进行数值模拟计算,探究了多光子电离、雪崩电离、电子扩散以及电子重组等物理进程对自由电子密度的影响,明确了不同激光参数下水的理论击穿阈值,并进行相应的实验验证.在此基础上选取合适的激光光源进行水导激光刻划304不锈钢的实验.结果表明,合适的激光光源可以在提升激光与水射流耦合效率、降低耦合损耗的同时,抑制加工过程中形成的热缺陷,实现高质量的水导激光加工.

关键词：水导激光数值模拟光学击穿加工能力

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水导激光微加工机理与研究进展

中国激光 2022年第10期49卷 58-77页

作者：王水旺丁烨程柏李元杨立军哈尔滨工业大学机电工程学院黑龙江哈尔滨150001 哈尔滨工业大学微系统与微结构制造教育部重点实验室黑龙江哈尔滨150001

随着我国航空航天、微电子和医疗等领域的快速发展,组成元件逐步迈向微型化和精细化,这对零部件的切割以及微米级孔、槽等结构的加工质量和加工精度提出了更高要求。与传统的机械加工、电火花加工和电化学加工相比,激光加工可实现“非... 详细信息

随着我国航空航天、微电子和医疗等领域的快速发展,组成元件逐步迈向微型化和精细化,这对零部件的切割以及微米级孔、槽等结构的加工质量和加工精度提出了更高要求。与传统的机械加工、电火花加工和电化学加工相比,激光加工可实现“非接触”加工,加工材料的适应性好、柔性大。但单一的激光加工得到的切口存在明显的锥度,且易出现热影响区、毛刺、裂纹等缺陷。水导激光加工技术利用水射流“同轴”全反射导引激光,兼具高质量和高效加工的优势,因而得到了广泛研究和应用。为对水导激光加工技术进行较为详尽的综述,本文首先讨论了水射流的形成、衰减和发散过程,然后从水的光学特性、全反射形成条件以及耦合能束传输等方面对激光-水射流耦合进行了分析,最后介绍了水导激光在金属、半导体以及复合材料等领域的应用现状,并针对现有技术的不足,对其发展趋势进行了展望。

关键词：激光技术水导激光微加工耦合能束水射流加工应用

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水导激光微细加工中激光与水束光纤耦合技术

光学精密工程 2008年第9期16卷 1614-1621页

作者：李灵杨立军王扬刘备王哲哈尔滨工业大学机械制造及自动化系黑龙江哈尔滨150001

为了保证水导激光微细加工中会聚激光与水束光纤的耦合效果,建立了由一个高精度耦合对准检测调整系统和一个特殊结构耦合装置组成的新的耦合系统,并提出了新的耦合对准方法。由于激光要经过空气层、玻璃层、水层进入水束光纤,因此根据... 详细信息

为了保证水导激光微细加工中会聚激光与水束光纤的耦合效果,建立了由一个高精度耦合对准检测调整系统和一个特殊结构耦合装置组成的新的耦合系统,并提出了新的耦合对准方法。由于激光要经过空气层、玻璃层、水层进入水束光纤,因此根据计算结果,采用激光烧斑法来确定会聚透镜与水束光纤起始端(喷嘴孔)的距离;研究了激光在水束光纤中发生全反射的最大入射角;通过流体动力学仿真,设计了腔内流场分布均匀的耦合装置,保证了直径0.12 mm的水束光纤的高耦合品质;研究了激光能量在水束光纤中的衰减,采用特定波长和脉冲能量的激光和特殊过滤的去离子水来减小激光能量在水束光纤中耦合的损耗率。实验结果表明,水束光纤导光长度超过100 mm;采用该耦合技术能够在0.2 mm厚的硅基晶片上以2 mm/s速度切割出缝宽为0.12 mm的均匀窄缝,且几乎无裂纹、无热影响区。该耦合技术能够很好地满足水导激光微细加工的要求。

关键词：水导激光激光微细加工全反射激光耦合光纤耦合仿真

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水导激光切割技术研究现状

光电工程 2017年第11期44卷 1039-1044页

作者：孙博宇乔红超赵吉宾陆莹郭跃彬中国科学院沈阳自动化研究所装备制造技术研究室沈阳110016

水导激光切割技术是一项利用水束导引激光到加工平面的新型切割技术,由于其热影响区小、加工精度高、无污染等优点受到了众多研究者的广泛关注。本文首先阐述了水导激光切割利用激光在空气和水交界面发生全发射的原理及其相对于传统激... 详细信息

水导激光切割技术是一项利用水束导引激光到加工平面的新型切割技术,由于其热影响区小、加工精度高、无污染等优点受到了众多研究者的广泛关注。本文首先阐述了水导激光切割利用激光在空气和水交界面发生全发射的原理及其相对于传统激光切割的优势,其次从理论与工艺两个方面综述了水导激光切割的国内外研究进展,总结了水导激光设备的发展现状,最后针对水导激光切割的技术难点进行分析并且展望了该技术未来发展的趋势。

关键词：水导激光热影响区耦合技术喷嘴孔

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基于离轴光学系统的水导激光耦合技术研究

红外与激光工程 2018年第12期47卷 7-12页

作者：孙冬王军华韩福柱清华大学机械工程系北京100084

在水导激光加工中,聚焦激光与微细水束的耦合对准效果是实现水导激光稳定加工的关键。为了提高水导激光的耦合对准精度,提出了一种新的耦合对准方法,即采用一种双透镜离轴光学系统,系统中一透镜进行轴向移动从而调节束腰轴向位置,另一... 详细信息

在水导激光加工中,聚焦激光与微细水束的耦合对准效果是实现水导激光稳定加工的关键。为了提高水导激光的耦合对准精度,提出了一种新的耦合对准方法,即采用一种双透镜离轴光学系统,系统中一透镜进行轴向移动从而调节束腰轴向位置,另一透镜与喷嘴一起进行径向移动从而调节束腰径向位置。该方法可以有效提高对准装置的分辨率,从而实现高精度的耦合对准。对该方法进行了理论分析,并根据理论分析进行了实验装置的设计。实验结果表明该方法将耦合对准装置的径向分辨率提高了5倍,与预期设计相符。应用该方法成功将激光耦合进入直径100μm的喷嘴中实现水导激光加工,该方法也是离轴光学系统的一个创新应用。

关键词：水导激光耦合对准离轴光学系统

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水导激光可适用性光束聚焦模式对比分析

激光与光电子学进展 2021年第17期58卷 362-370页

作者：梁恩黄宇星焦辉张光辉周辽黄平常朝正龙芋宏桂林电子科技大学机电工程学院广西桂林541004

水导激光加工技术中,高质量光束对耦合效率起着关键性的作用。为了解决水-光耦合技术的难题,使水导激光加工技术更好地应用在具有高熔点和高硬脆性的材料的高精密度和低损伤等加工场合,提出自聚焦-球透镜组合聚焦模式和正-负轴棱锥镜组... 详细信息

水导激光加工技术中,高质量光束对耦合效率起着关键性的作用。为了解决水-光耦合技术的难题,使水导激光加工技术更好地应用在具有高熔点和高硬脆性的材料的高精密度和低损伤等加工场合,提出自聚焦-球透镜组合聚焦模式和正-负轴棱锥镜组合聚焦模式,并与传统凸透镜聚焦模式进行对比分析。根据三种可适用性聚焦模式,推导相应的ABCD传输矩阵,仿真聚焦模式下的光束特性,并讨论不同聚焦模式下的工业化应用特点。仿真结果表明,正-负轴棱锥镜组合聚焦后的光束束腰半径最小,传统凸透镜聚焦模式聚焦后的光束发散角最小,且三种模式结构不同,都存在各自的优劣性。

关键词：光学设计水导激光光束聚焦 ABCD矩阵光学仿真