激光烧蚀低压射流复合加工技术基础的研究

本项目是针对难加工材料的精密加工这一技术问题，在相关研究的基础上，提出了把激光烧蚀和化学介质射流冲蚀相结合这一技术思路，对难加工材料进行复合刻蚀加工，以期达到提高材料的刻蚀速率和表面质量的目的。拟在研制的一个试验装置上，来研究介质射流的类型、压力、流量、喷射距离、喷嘴直径及其形状以及激光能量、重复频率等参数对复合刻蚀加工速率的影响规律；研究复合刻蚀对加工面粗糙度、尺寸精度等的影响规律。着重研究复合加工过程中物质转移的基本行为和特征，即：复合加工的物理过程，包括介质射流压力和流速对激光烧蚀后的表面存在的重铸层和熔渣等的冲蚀规律；复合刻蚀加工的化学反应过程，包括一定压力和流速的腐蚀介质与加工材料之间的界面反应、腐蚀产物溶解的影响规律，建立激光与射流复合刻蚀加工的材料去除模型，为这种复合加工技术的进一步工程化应用打下一定的技术基础。

激光烧蚀低压射流复合加工技术的基础研究是研究低压射流辅助激光加工的方法中，激光对材料进行烧蚀，同时介质射流（如水射流）将刻蚀产物带离材料表面等方面的基本科学和技术基础问题，目的是为解决影响激光加工表面质量的再铸层、残余熔渣、热裂纹等问题，提供一种新方法打下理论和技术基础。项目主要研究工作和成果为：设计和搭建的射流发生装置和复合加工工作台，为激光烧蚀低压射流复合加工的试验研究提供了装备；系统研究了在介质为水射流条件下，激光脉冲能量、脉冲宽度、脉冲重复频率、激光扫描速度等激光工艺参数对复合加工速率和质量的影响规律，分析了激光脉冲能量、激光脉冲宽度、激脉冲重，复频率和激光扫描速度对对加工复合加工质量和速率的影响机理；系统研究水射流流量对复合加工表面质量、热影响区、加工效率的影响规律，通过建立物理模型，从理论上来分析水射流流量对复合加工的表面质量和加工效率的原理；研究了不同射流介质，如腐蚀性介质KOH水溶液条件下对复合加工质量的影响；研究了介质射流条件下烧蚀陶瓷表面成分变化的过程，探讨影响陶瓷复合加工表面质量化学原理；进行水射流辅助激光能量变化的研究，引入了膜态沸腾传热模型，发现了复合刻蚀方法中水射流导致的能量损失最终会趋于某个恒值的规律；利用计算机模拟和试验相结合来研究水射流速度及入射角度对激光刻蚀槽体几何形貌的影响，探讨分析水射流速度和水射流如口角度对激光刻蚀槽体几何形貌的影响规律和机理；利用ABAQUS软件动力分析模块，分析了水射流对槽体截面以及底部内壁的冲蚀过程，并研究了截取节点的受力规律。研究发现：随着水射流速度的增大，冲击压力越来越大，材料截面与内壁所承受的应力越来越大；分别系统进行激光水射流复合加工技术在进行金属类、陶瓷类孔加工、切割、刻蚀工艺基础和原理研究。重点研究射流速度对激光复合打孔几何形貌、激光复合切割割缝质量，以及激光复合刻蚀几何形貌的影响规律和机理。为针对不同材料以及不同加工要求的应用提供了技术基础理论。