脉冲激光加工金属表面典型效应的理论和实验研究

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脉冲激光作用于金属表面，获得特定的表面形貌，在工业领域有广泛应用。特定表面形貌的形成，是光与靶材相互作用复杂物理过程的作用结果，该过程与激光脉冲宽度密切相关。当脉冲宽度大于材料的热弛豫时间（纳秒、微秒或者毫秒激光），热力效应在表面形貌形成过程中起关键作用；而当脉冲宽度小于材料热弛豫时间（皮秒或者飞秒激光），靶材中光致热力效应较小，表面形貌形成机制与长脉冲激光迥然不同。本文选择飞秒激光和百微秒激光为加工源，从实验和数值研究两方面，细致研究了长脉冲与超短脉冲激光与金属材料作用后，表面形貌的形成结果、形成机制和相关规律。主要工作内容如下：
　　（1）基于COMSOL Multiphysics仿真软件，数值研究了超短脉冲激光作用金属表面后的能量分布以及长脉冲激光作用金属材料表面后温度场分布；研究了金属表面形貌以及不同金属材料对超短脉冲激光在金属表面能量分布的影响；长脉冲激光作用金属表面能量分布。数值研究结果表明：表面微结构越密集，激光能量会越往微结构尖峰移动；由于长脉冲激光热效应的存在，热影响区域大于光斑辐照区域。
　　（2）进行超短脉冲激光金属表面微加工实验，研究了金属材料、靶材表面粗糙度以及单脉冲激光能量等对表面形貌变化的影响规律。实验结果发现：超短脉冲激光作用后，由于激光和表面波干涉，金属表面形成共振周期性结构；不同金属材料形成周期性表面结构的难易不同，对激光能量吸收更多的材料更易形成周期性表面结构；单脉冲能量大的超短脉冲激光加工形成的表面周期性结构的轮廓更加明显，但是由于高斯光束使得激光能量分布不均匀，光斑中心的热效应也更加明显。
　　（3）进行长脉冲激光辐照裂纹金属表面实验，研究了输出功率和离焦量对不同金属材料表面裂纹弥合的影响。实验结果发现：硬度低的材料更易利用微熔凝的方法弥合金属表面裂纹；当输出功率选择合适时，可以通过适当调整离焦量，在获得裂纹修复结果的同时改善金属表面的质量。

著录项

作者
陈美;
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作者单位

江苏大学;

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授予单位江苏大学;
学科光学工程
授予学位硕士
导师姓名叶云霞;
年度 2017
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类光能加工设备及其加工;
关键词
脉冲激光加工; 金属表面; 热力效应;

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