【摘 要】
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随着社会工业的发展,高质量高效率高精度微孔加工需求愈加迫切。激光制孔技术凭借其自身的特性,在微孔制造领域占据重要地位,相比于其他制孔技术具备诸多优势。然而,激光制孔本质上是一个热物理过程,制孔过程中通常会产生重铸层和微裂纹等缺陷,光致混合羽流(汽化材料与等离子体)也会对入射激光产生屏障效应,从而影响制孔质量与效率,仅靠减小激光脉冲宽度不足以有效解决这些问题,还会显著降低制孔效率。针对上述问题,本文
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随着社会工业的发展,高质量高效率高精度微孔加工需求愈加迫切。激光制孔技术凭借其自身的特性,在微孔制造领域占据重要地位,相比于其他制孔技术具备诸多优势。然而,激光制孔本质上是一个热物理过程,制孔过程中通常会产生重铸层和微裂纹等缺陷,光致混合羽流(汽化材料与等离子体)也会对入射激光产生屏障效应,从而影响制孔质量与效率,仅靠减小激光脉冲宽度不足以有效解决这些问题,还会显著降低制孔效率。针对上述问题,本文基于气流和电场对激光制孔产生的光致混合羽流的影响特性,提出一种横向电场与侧向气流辅助激光制孔的新方法,以改善光致混合羽流的空间形态和运动分布,减弱其对入射激光束的屏障效应,从而改善微孔成形质量以及微孔附近区域的显微组织和显微硬度,同时提高激光制孔的效率。本文首先设计搭建了横向电场与侧向气流辅助毫秒激光精密制孔实验平台,探究了横向电场和侧向气流对微孔形貌、孔口几何尺寸、孔内壁质量、显微组织和显微硬度的影响机理与规律。为了深入研究横向电场与侧向气流对激光制孔瞬态演变过程的影响,本文还基于高速摄像机设备,对有无横向电场和侧向气流辅助下的毫秒激光冲击制孔过程进行了实时监测研究。研究发现,横向电场与侧向气流辅助加速了金属蒸汽与等离子体混合羽流的膨胀与扩散,并缩短了通孔击穿的时间,提高了激光制孔的效率。当使用横向电场、侧向气流、横向电场与侧向气流辅助时,微孔上孔径分别减少了9.1%、6.8%和9.4%,孔深分别增加了5.9%、8.7%和13.0%。在电场辅助作用下,电场间接增强了光致混合羽流的垂直运动,减弱了孔内的局部热冲击效应,改善了微孔内壁的质量。此外,本文探究了电场强度和侧向气流种类对飞秒激光层进式环切制孔的影响。研究发现,在横向电场和侧向气流的辅助作用下,微孔的上下孔径均减小,孔深增加。随着电场强度的增大,微孔孔径减小,孔内壁粗糙度减小,显微硬度提高。同时,侧向气流加速了微孔周边区域的空气循环,减小了热影响区,电场辅助不仅加速了光致混合羽流的疏散,而且减弱了内孔壁的氧化。
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