采用不同功率的飞秒激光对单晶金刚石分别进行了单脉冲分离烧蚀实验和多脉冲累积烧蚀实验,计算得到了单晶金刚石材料的单脉冲烧蚀阈值和多脉冲累积烧蚀阈值,并研究了多脉冲作用下单晶金刚石烧蚀阈值的变化。结果表明:单晶金刚石的飞秒激光单脉冲烧蚀阈值为8.80 J/cm ²;随着有效脉冲数增加,烧蚀阈值逐渐减小;当有效脉冲数小于124时,烧蚀阈值随有效脉冲数的增加而急剧减小;当有效脉冲数增加到486后,烧蚀阈值减小的趋势趋于平缓。有效脉冲数486、激光平均功率10.7 W是最优的激光加工工艺参数。

针对单晶金刚石加工难的问题, 采用脉宽为250 fs的飞秒激光器, 开展了不同工艺参数下的单晶金刚石晶体飞秒激光烧蚀试验研究, 同时采用超景深显微镜检测单晶金刚石烧蚀的宽度、深度及表面质量, 研究了激光平均功率、光斑重叠率和扫描次数对单晶金刚石烧蚀深度、宽度及表面质量的影响。结果表明, 飞秒激光成型烧蚀加工单晶金刚石时, 当采用激光平均功率为11.1 W, 光斑重叠率为61.9%, 循环扫描次数为100次作为最佳工艺参数组合时, 能够获得具有较高表面质量的最大烧蚀效率, 通过激光分层成型烧蚀, 在单晶金刚石片上加工出大小、突出高度和排布方式可以精确控制的锥形阵列, 制造出无需结合剂的高品质端面金刚石砂轮。

采用脉宽为10 ps的皮秒激光对热轧Q235钢板进行了除锈工艺试验研究, 通过单因素试验法, 得到了激光平均功率密度、光斑重叠率及扫描轨迹重叠率对去除效果及表面形貌的影响规律, 并获得了优化的工艺参数。结果表明, 过大或过小的激光平均功率密度会致使工件二次氧化或除锈不完全; 当光斑重叠率与扫描轨迹重叠率同为30～40%时会获得较好的除锈效果; 采用高、低能量密度交替的清洗方式可以获得相比固定参数清洗更好的清洗效果, 同时可以提高清洗效率。最后利用优化参数清洗得到的工件表面氧元素含量相比未除锈工件降低了92%。

针对青铜金刚石砂轮V形凹面修整困难的问题, 利用光纤激光切向整形法, 得到修整青铜金刚石砂轮V形凹面新的技术方法。在分析激光切向整形作用机理的基础上, 确定关键激光工艺参数。采用超景深三维显微镜检测磨削后的石墨板, 间接采集V形凹面砂轮的特征。研究不同激光工艺参数对V形凹面修整效率的影响规律, 及不同重叠率对青铜金刚石砂轮V形凹面的几何特征参数的影响规律。研究结果表明, 激光平均功率与激光光斑重叠率对修整效率影响较大, 近似呈正比例关系; 合适的重叠率有利于减小形状误差PV值(最小形状误差PV值为36 μm); 相比激光扫描轨迹线重叠率, 激光光斑重叠率对修整后成形角度和V形凹面尖角半径值影响更大, 激光光斑重叠率越大, 成形角度与V形凹面尖角半径值越大; 修整后砂轮形状误差均可控制在5%以内, 初步验证了脉冲激光切向修整V形凹面青铜金刚石砂轮的可行性。

考虑蒸发效应、等离子体屏蔽效应与脉冲间能量累积效应基础上, 建立脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮传热物理模型, 应用模型对脉冲光纤激光修锐青铜和整形金刚石分别进行传热数值计算, 依据数值仿真结果, 开展脉冲光纤激光烧蚀青铜轮和青铜金刚石砂轮的实验。理论研究和实验研究表明: 相关条件下, 当激光功率密度小于2.10×108 W/cm2时, 只能对青铜金刚石砂轮修锐; 当激光功率密度大于2.10×108 W/cm2小于2.52×108 W/cm2时, 能对青铜金刚石砂轮实现整形和修锐的合二为一; 当激光功率密度大于2.52×108 W/cm2时, 能对青铜金刚石砂轮实现大深度修锐, 但影响磨粒突出结合剂的高度和磨削性能, 以上研究为脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮研究提供理论指导与工艺优化, 同时实验结果与数值模拟结果一致, 也验证了传热模型的正确性。

采用波长为355 nm、脉宽为18 ns的紫外激光器, 开展了镍基电镀金刚石砂轮的修整试验研究, 对4个关键工艺参数——扫描填充形式、脉冲光斑重叠率及线重叠率、激光平均功率和循环扫描次数进行优化。结果表明, 紫外激光修整镍基电镀金刚石砂轮时, 当采用环形扫描填充形式, 激光光斑重叠率和扫描轨迹重叠率均为35%时, 修整后的砂轮表面地形地貌较为良好, 并且当激光平均功率Pavg一定时, 电镀砂轮表面的烧蚀深度与循环扫描次数N近似成正比。