水导激光微细加工系统及关键技术的研究

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1、国内图书分类号：TG661学校代码：10213国际图书分类号：621.9.048密级：公开工学博士学位论文水导激光微细加工系统及关键技术研究博士研究生：李春奇导师：王扬教授申请学位：工学博士学科：机械制造及其自动化所在单位：机电工程学院答辩日期：2012年11月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TG661U.D.C:621.9.048DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONWATER-JETGUIDEDLASERMICROMACHININGSYSTEMANDKEYTECH

2、NOLOGIESCandidate：LiChunqiSupervisor：Prof.WangYangAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MechanicalManufacturingandAutomationAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：November,2012Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要近些年，随着微电子、能源、生

3、物和医疗等技术领域内微小零部件和微系统的应用越来越广泛，微细加工成为了关键性技术问题。在这种背景下，水导激光微细加工技术以其特有的优异加工性能得到了迅速发展，该加工技术可以确保高的加工精度和加工效率、极小的热影响区和加工应力，而且残余应力和微裂纹产生的可能性很低。目前，国际上瑞士Synova公司对水导激光加工技术的研究最为前沿，现已研制出成熟的设备，并已部分商品化，但是价格昂贵；国内对该技术的研究还很不成熟，尚处起步阶段。面对这种现状，本文在国内外相关研究的基础上，对水导激光的生成技术、加工过程仿真和相关工艺试验进行了深入的研究，研制了一套性能稳定、成本合理的加工系

4、统，通过试验加工得到了品质良好的样件。对水导激光生成的关键技术进行深入研究。通过分析水束光纤的外观特点和形成条件，认为返流射流是生成水束光纤的理想方式，由此研制了微细水束光纤发生系统，包括返流喷孔元件、射流装置和供水系统，并用FLUENT流体力学软件分析了射流装置的水腔结构对射流的影响，优化了水腔设计方案。最后得到了一系列不同直径的水束光纤，最细直径约28μm（光纤长约40mm），文中也对水束光纤长度的测量提出了一种更准确而简单的方法：光斑检测法。激光与水束光纤的耦合是水导激光加工技术的关键环节，为便于二者成功耦合，本文从理论上分析了耦合前激光光斑和发散角的调整方式

5、。通过ZEMAX光学仿真软件全方面的分析不同形式的耦合失准对水导激光输出光斑功率密度分布的影响，发现横向偏差是影响输出的最敏感变量、角度偏差次之、纵向偏差无影响，不同偏差形式（单独或共同存在）使输出光斑功率密度峰值呈居中分布、均匀分布或环形分布。基于耦合失准的产生原因，研制了五自由度耦合对准调节装置，实现了安全精确的耦合。最后对上述仿真结果进行了观测并部分得以验证，文中也研究了单脉冲激光能量在水束光纤长度上的衰减规律。使用ANSYS仿真软件对水导激光打孔加工进行了仿真分析，综合考虑了激光的热作用、水射流的冷却作用、射流自身的冲击力以及激光加工时产生的等离子体冲击波压

6、力作用，得到了激光和水射流参数对加工结果的影响规律。通过对冲击波作用力的理论计算和实际测量，表明该力在数值上比射流冲击力更大，因此本文认为水导激光加工实现熔渣去除的良好效果是由于水射流的冲刷与等离子体冲击波压力共同的作用。本次仿真是根据实际打孔进行修正后的I哈尔滨工业大学工学博士学位论文结果，二者在形貌尺寸和加工效率两方面取得了较好的一致性，对相关加工工艺试验有着积极的指导作用。根据水导激光打孔仿真分析作为理论指导，对不锈钢材料进行了一系列打孔工艺试验，研究了不同水导激光加工参数（包括激光脉冲能量、脉宽和脉冲数）对加工效率和形貌尺寸的影响规律，发现仿真与试验加工结果

7、有着较好的一致性，进一步体现了仿真研究的意义。文中也对硅片和钛合金进行了水导激光加工工艺试验。对硅片的加工研究着眼于划槽的外观质量和划槽深度，发现通过合理的控制加工参数可以得到非常理想的沟槽质量，无论在加工区域的边缘还是内部均没有熔渣粘滞，得到了非常清洁沟槽。基于优化的参数使用28μm直径的水导激光划切出宽27μm、深55μm的优质沟槽，又对微型螺旋槽、沟槽栅和梯形槽结构进行了加工试验，得到了较好的加工效果，结构尺寸均在2mm以内。对钛合金的加工研究着重于不同加工参数对切缝形貌、热影响区及的影响，发现较高的激光能量、频率，较低的切割速度和适中的水压可以确保切缝表