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静态溶液辅助氧化铝陶瓷激光重复打孔实验研究

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摘要

主要符号表

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 激光打孔技术概述

1.2.1 激光打孔的原理

1.2.2 激光打孔的特点

1.3 激光打孔技术国内外研究现状

1.3.1 国外研究现状

1.3.2 国内研究现状

1.3.3 小结

1.4 研究目的和内容

1.4.1 研究目的

1.4.2 研究主要内容

1.5 课题来源

第二章 实验方案

2.1 实验材料的选用和处理

2.2 实验平台及设备

2.2.1 实验平台

2.2.2 实验设备

2.3 打孔实验方案

2.3.1 激光打孔单因素实验

2.3.2 激光二次打孔实验

2.4 孔的质量测量

2.4.4 孔的圆度测量

2.5 表面形貌观测

2.6 信号采集及处理

第三章 加工环境及工艺参数对激光打孔的影响

3.1.1 孔的直径

3.1.2 孔的锥度

3.1.3 孔的圆度

3.2 电流对激光打孔的影响

3.2.1 孔的直径

3.2.2 孔的锥度

3.2.3 孔的圆度

3.3 脉宽对激光打孔的影响

3.3.1 孔的直径

3.3.2 孔的锥度

3.3.3 孔的圆度

3.4 频率对激光打孔的影响

3.4.1 孔的直径

3.4.2 孔的锥度

3.4.3 孔的圆度

3.5 溶液深度对激光打孔的影响

3.5.1 孔的直径

3.5.2 孔的锥度

3.5.3 孔的圆度

3.6 小结

第四章 激光打孔的表面形貌分析

4.1 孔表面熔渣

4.1.1 打孔方式对熔渣形成的影响

4.1.2 电流对熔渣形成的影响

4.1.3 脉冲宽度对熔渣形成的影响

4.1.4 脉冲频率对熔渣形成的影响

4.2 烧蚀

4.3 重铸层

4.3.1 打孔方式对重铸层厚度的影响

4.3.2 电流对重铸层厚度的影响

4.3.3 脉宽对重铸层厚度的影响

4.3.4 频率对重铸层厚度的影响

4.4 微裂纹

4.5 小结

第五章 静态溶液辅助氧化铝陶瓷激光打孔过程中光热信号分析

5.1 激光打孔过程中动态信号分析

5,1.1 激光在空气中打孔

5.1.2 激光在水溶液中一次打孔

5.1.3 激光在水溶液中二次打孔

5.2 打孔过程中温度场信号分析

5.2.1 激光在空气中打孔时温度的变化

5.2.2 激光在水溶液中一次打孔时的温度场的变化

5.2.3 激光在水溶液中二次打孔时的温度场变化

5.3 小结

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录

致谢

攻读硕士期间发表的论文

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摘要

激光打孔是一种高效精密的特种加工方式,由于它具有高精度、高能量、高灵活性以及高效率等特点被广泛地应用到工程材料的打孔之中。氧化铝陶瓷材料是一种耐高温、耐腐蚀、耐磨损的材料,在航空发动机以及航空高温隔热罩等领域应用较为广泛。该材料具有强度高但脆性大的特点,传统的机械加工方式已经难以满足当今的需求。激光在加工陶瓷材料时有明显的优势,但是激光对氧化铝陶瓷进行打孔时却存在锥度大、圆度低、大量熔渣堆积、烧蚀、重铸层和微裂纹等缺陷,从而影响打孔的质量,直接影响零件的寿命。针对上述陶瓷在激光打孔过程中出现的这些问题,本文采用自制夹持装置利用静态溶液辅助激光打孔,提高加工质量、降低微观缺陷,同时还具有环保、成本低的优点。
  本文采用Nd∶YAG脉冲激光对厚度为1mm的氧化铝陶瓷片进行定点打孔,把氧化铝陶瓷片分别置于空气孔、水溶液中(一次打孔和二次打孔)、氯化钠盐溶液中(一次打孔和二次打孔)进行实验研究。通过单因素实验在五种打孔方式(激光空气打孔、激光在水溶液中一次打孔、激光在水溶液中二次打孔、激光在盐溶液中一次打孔、激光在盐溶液中二次打孔)下研究氧化铝陶瓷打孔的质量特性,通过测量孔径并计算出孔的锥度和圆度,分析激光参数以及静态溶液对打孔质量的影响。观测打孔过程中出现的熔渣、烧蚀、重铸层和微裂纹等微观缺陷分析其与加工环境与参数的关系。同时分析了各个环境下孔的形成、凝固以及溶液的动态变化过程及温度场的分布变化情况。主要研究结论如下:
  (1)当激光在空气中打孔时。随着电流和脉宽的增加,熔渣的堆积量增加、重铸层变厚、烧蚀严重、微裂纹变的更粗更明显。而激光在静态溶液中打孔时,上述缺陷则较小。
  (2)激光在溶液中打孔时,无论是水溶液还是盐溶液均有助于提高打孔的质量。孔的锥度有效地降低,圆度提高,孔表面的熔渣堆积、重铸层厚度以及烧蚀和微裂纹现象减少。激光在空气中打孔的圆孔锥度为15°,大于激光在静态溶液中打孔的锥度11°。激光在空气中打孔时,孔的圆度除电流为210A(下孔在230A)处达到最佳值0.95之外,其余均在0.9以下。而激光在静态溶液中打孔时,孔的圆度基本高于0.9,且最佳值达到0.99以上。激光在空气中打孔,孔表面的熔渣堆积高度在50μm以上,而激光在静态溶液中打孔,孔的表面熔渣高度却只有20μm左右,同时下孔堆积明显减少。重铸层的厚度由20μm以上(空气中打孔)降低到10μm左右(静态溶液中打孔)。
  (3)通过观察曲线的波动幅度,激光在氯化钠盐溶液中打孔时,随着激光参数的改变,孔的锥度和圆度的变化稳定且有规律性,但是激光在水溶液中打孔则没有激光在盐溶液中打的孔稳定。
  (4)激光在静态溶液中一次打孔和二次打孔时,二次打孔的孔的锥度11°要小于一次打孔时孔的锥度13°左右。但是圆度却有缺陷,即当一次打孔所打孔的圆度较高时,二次打孔其圆度则降低;一次打孔所打孔的圆度较差时,二次打孔则较圆。
  综上所述,激光在静态溶液中打孔,孔的表面质量较高、熔渣堆积显著减少,通过简易夹持机构完成装夹,可有效提高激光打孔的加工质量。

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