上海市激光技术研究所, 上海市激光束精细加工重点实验室, 上海 200233
利用紫外皮秒激光器脉冲串模式对单晶硅材料进行切割测试研究, 分析了不同子脉冲数量情况下单脉冲能量变化对热影响区大小、表面形貌效果、切缝宽度以及切割深度的影响。研究结果表明, 脉冲串模式可以有效地降低热影响区, 减少重熔层的产生。随着单脉冲能量的增加, 脉冲串相比于单脉冲模式产生的热影区差值逐步增大, 由增加脉冲串子脉冲数量而导致的热影响区减小效应愈加明显。当脉冲串中子脉冲数量为3或者5, 脉冲能量为8 μJ时产生的热影响区和表面形貌效果与单脉冲模式下脉冲能量为2 μJ的效果基本一致, 并且切割深度是单脉冲模式切割深度的2倍。
脉冲串 单晶硅 热影响区 表面形貌 burst mode single-crystal silicon heat affected zone surface morphology
上海市激光技术研究所, 上海市激光束精细加工重点实验室, 上海 200233
利用紫外皮秒激光器对单晶硅材料进行切割实验研究, 探讨不同激光能量密度、光斑重合度、切缝宽度及切割次数对切缝表面形貌和切割深度的影响。通过不同单脉冲能量的打孔实验测得在波长355 nm、脉宽12 ps的情况下, 单晶硅的损伤阈值为3.22 J/cm2, 并对最佳能量密度进行测试。实验结果表明, 激光能量密度为2～4 倍的损伤阈值、光斑重合度为50%～60%时可以获得良好的切缝效果且热影响区最小达到1.01 μm。切缝的最大切割深度由切缝宽度决定, 与切割次数无关, 实验测得的最大宽深比约为1∶5。
激光切割 单晶硅 损伤阈值 表面形貌 laser cutting single-crystal silicon damage threshold surface morphology
张瑄珺 1,2,3,4,*沈佳骏 1,2,3,4王健超 1,2,3,4
1 上海市激光技术研究所, 上海 200223
2 上海市激光束精细加工重点实验室, 上海 200233
3 上海激光智能制造工程技术研究中心, 上海 200233
4 上海激光直接物标溯源工程技术研究中心, 上海 200233
采用不同波长皮秒激光器在碳纤维复合材料板材上进行制孔加工, 研究了不同波长(532, 355 nm)、扫描速度(3 000、3 500、4 000、4 500、5 000 mm/s)、加工缝宽(0.4、0.5、0.6 mm)对加工孔表面热影响区、孔锥度、加工时长等加工质量的影响。结果表明: 激光波长越短, 加工孔的表面质量越好, 热影响区越小。在5 mm厚的碳纤维板材上加工直径为3 mm的孔, 当激光波长为532 nm时, 加工孔边缘热影响区大小为200 μm; 当激光波长为355 nm时, 加工孔边缘热影响区大小为70 μm。在不影响加工效率的前提下, 一定范围内, 加工速度越大越好, 缝宽越小越好。当扫描速度为5 000 mm/s、加工缝宽为0.4 mm时, 表面孔边缘热影响区大小仅为33.8 μm, 其孔径上下表面差为184.1 μm, 均为以上所有参数条件下最好效果。
皮秒激光 碳纤维复合材料 激光制孔 热影响区 picosecond laser carbon fiber reinforced plastic laser drilling heat affected zone 张瑄珺 1,2,3,4,*王健超 1,2,3,4沈佳骏 1,2,3,4
1 上海市激光技术研究所, 上海 200223
2 上海市激光束精细加工重点实验室, 上海 200233
3 上海激光智能制造工程技术研究中心, 上海200233
4 上海激光直接物标溯源工程技术研究中心, 上海 200233
碳纤维复合材料(CFRP)是由碳纤维和基体组成的二相或多相结构, 具有非均质和各向异性, 且碳纤维的硬度很高, 采用传统的机械加工方式易出现如刀具磨损、复合材料分层、纤维破碎及加工后性能变差等问题。使用激光加工可以克服其技术方面所面临的各种困难, 但由于CFRP中碳纤维增强体在热膨胀系数、气化温度等热力学性能方面与基体存在相当大差异, 激光加工过程中易出现热影响区、纤维拔出、复合材料分层、纤维末端膨胀等热损伤缺陷, 严重影响CFRP的静态强度, 导致激光加工CFRP面临巨大挑战。综述了国内外降低激光加工碳纤维复合材料的研究现状, 通过采用短脉冲、短波长、重复频率高的激光光源, 以及提高加工速度、改进加工路径、一定压力的吹气等多种方法降低激光与材料的作用时间, 从而减少热效应。
碳纤维复合材料 短脉冲激光 热损伤 研究现状 carbon fiber reinforced plastic short pulse laser thermal damage research status
1 上海市激光技术研究所,上海 200223
2 上海市激光束精细加工重点实验室,上海 200233
3 上海激光直接物标溯源工程技术研究中心,上海 200233
4 上海激光智能制造工程技术研究中心,上海 200233
采用皮秒激光在不锈钢表面加工形成了6种不同规则形态的微结构,这些微结构微观形貌呈现微米级类波纹状突起,突起表面分布有一个个纳米级的小微坑。加工区域元素的组成成分基本和基底一样,含量也接近,只有C元素含量有所增加,Fe元素含量有所降低。织构区域的摩擦系数普遍都比无织构区域小,无织构的不锈钢薄板摩擦系数在0.8～0.9之间,而织构过的表面摩擦系数明显降低,在0.1～0.2之间。摩擦系数均呈现出先爬升后稳定的变化,但织构表面相对未织构表面摩擦系数达到稳定状态的时间较短。织构表面摩擦系数在4 000～7 500 s时显著升高,表面微结构的减磨作用贡献结束。织构表面磨斑均比原始表面的磨斑宽,当摩擦方向垂直于织构表面,具有更好的减磨作用。
皮秒激光 表面织构 微结构 摩擦性能 picosecond laser surface texture microstructure friction performance
1 上海市激光技术研究所, 上海 200223
2 上海市激光束精细加工重点实验室, 上海 200233
3 东华大学机械工程学院, 上海 201620
4 上海市激光创意产业专业技术服务平台, 上海200233
5 上海激光直接物标溯源工程技术研究中心, 上海 200233
采用皮秒激光器在301不锈钢薄板上进行表面微结构加工, 研究了不同激光功率(7.4, 24.3, 49.3 W)、加工速度(1 000, 1 500, 2 000, 2 500 mm/s)、重复次数(1, 5, 10, 15, 20, 25次)对表面刻槽宽度和深度以及形貌的影响。结果表明：随着激光功率的增加、加工速度的减小, 沟槽的宽度和深度随之增大, 热影响区增大, 沟槽边缘局部出现微小的熔融颗粒物; 随着加工重复次数的增加, 沟槽的宽度有明显提高, 但是深度却变化不明显, 当重复次数大于20次之后, 深度有了较高增加。同时, 研究了不同间距(10, 15, 20, 40, 100 μm)的条纹微结构对摩擦性能的影响, 结果表明：无织构的不锈钢片摩擦系数在0.8～0.9之间, 而织构过的表面摩擦系数明显的降低, 摩擦系数随着条纹间距的减小而减小, 尤其间距为10 μm的条纹织构使摩擦系数降到了0.1 左右, 效果显著; 且织构表面相对未织构表面摩擦系数达到稳定状态的时间较短。
皮秒激光 表面织构 激光功率 加工速度 重复次数 耐磨性能 picosecond laser surface texture laser power processing speed processing repetitions wear resistance
沈佳骏 1,2,3,*骆公序 1,2,3潘涌 1,2,3,4刘中俊 1,2,3姜兆华 1,2,3,4
1 上海市激光技术研究所, 上海 200233
2 上海市激光束精细加工重点实验室, 上海 200233
3 先进激光应用联合实验室, 上海 200233
4 上海激光直接物标溯源工程技术研究中心, 上海 200233
基于EdgeWave GmbH 532 nm波长的纳秒激光器, 通过改变激光加工参数进行玻璃切割工艺实验, 研究激光工艺参数对玻璃切割效果的影响。实验表明, 通过对电流大小、填充间隔、分层切割和切割速度等激光参数的优化, 能够加工出边缘光滑、无横向微裂、无碎屑的玻璃基片, 获得较好的良品率。
纳秒激光器 532 nm波长 玻璃切割 工艺参数 切割效果 nanosecond lasers 532 nm wavelength glass cutting process parameters cutting effect
