激光去除金屬氧化物的機理與應(yīng)用基礎(chǔ)研究.pdf

1、高效環(huán)保的激光去除金屬氧化物技術(shù)，是近年來激光技術(shù)應(yīng)用的重點發(fā)展方向之一。它以激光作為加工工具，在去除金屬氧化物的同時形成高性能的表面質(zhì)量，提高界面結(jié)合強度等表面性能，具有便于與焊接設(shè)備集成、去除度高、定域性好、操作方便等優(yōu)勢，可在大型海洋工程裝備、船舶制造、全自動化工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域推廣應(yīng)用。
　　激光與金屬或金屬氧化物之間的作用，包含光子-電子-聲子-等離子體等微觀粒子之間的相互作用，目前機理研究主要集中在仿真模擬，激光去除機理存

2、在巨大的理論研究空間。金屬表面在激光作用下允許發(fā)生一定程度的永久性特征變化，激光能量選取是否合理不能單純用激光損傷閾值判斷，需要綜合分析激光去除后的金屬表面質(zhì)量;對于大面積金屬氧化物的去除，采用高速的激光掃描系統(tǒng)，但去除效果的影響因素很多，很難通過常用的試錯實驗選取工藝參數(shù)，比如激光光斑疊加的熱效應(yīng)影響，材料表面會再次被氧化，需要采用有效的方法選取最優(yōu)工藝參數(shù)，因此激光去除技術(shù)存在巨大的技術(shù)研究空間。
　　本文開展激光去除金屬氧化

3、物的基礎(chǔ)研究，主要研究內(nèi)容有:
　　(1)分析激光去除金屬氧化物的微觀過程，揭示激光去除金屬氧化物的物理機制。
　　基于激光燒蝕理論，研究激光作用下金屬和金屬氧化物的溫升規(guī)律，分析激光能量、激光脈寬等參數(shù)的影響。檢測激光去除金屬氧化物的微觀過程，分析激光等離子體光譜譜線成分和強度變化，研究激光燒蝕分解表面物質(zhì)發(fā)生的物理化學(xué)效應(yīng)，分析出激光與金屬氧化物之間的作用機理;檢測激光去除過程的等離子體沖擊波傳播特性，分析材料表面的彈性

4、變形過程，研究激光去除過程的彈性振動效應(yīng)。結(jié)合形貌分析，提出金屬氧化物的激光去除機理是激光燒蝕的物理化學(xué)效應(yīng)和彈性振動效應(yīng)共同作用的結(jié)果，為激光工藝參數(shù)的選取和在線監(jiān)測技術(shù)提供依據(jù)。
　　(2)構(gòu)建適合工業(yè)應(yīng)用需求的在線監(jiān)測系統(tǒng)，實時分析激光去除程度。
　　成本低、操作簡單、穩(wěn)定性好、對平臺和環(huán)境要求低等使用條件，是工業(yè)應(yīng)用對在線監(jiān)測系統(tǒng)的要求。采用光電二極管、寬帶麥克風(fēng)等常用設(shè)備，實現(xiàn)對激光誘導(dǎo)等離子體發(fā)光信號和聲波信號的

5、檢測。采用等離子體發(fā)光強度峰值的變化趨勢，以及聲波持續(xù)時間的變化趨勢，表征出金屬氧化物是否去除干凈。采用BiDoseResp模型，分析發(fā)光強度峰值與作用激光能量的關(guān)系，計算出基體損傷能量閾值等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，驗證激光去除機理，并為工藝參數(shù)的選取提供依據(jù)。
　　(3)建立激光去除效果的評價準則。
　　定義激光去除效果評價參數(shù)，如去除干凈、去除度、良好的表面形貌等，采用肉眼觀察或JSM-7001F型掃描電鏡及能譜分析儀、DM2500M

6、型光學(xué)顯微鏡、Surface130A表面粗糙度儀等各種表面性能測試設(shè)備，分析激光去除后金屬表面質(zhì)量，參考已有傳統(tǒng)去除手段的評價準則，提出表面質(zhì)量的評估方法，為激光去除效果的評價建立準則。
　　(4)提出系統(tǒng)選取最優(yōu)工藝參數(shù)的有效方法:由機理分析入手，以檢測技術(shù)為輔，確定因素及水平，根據(jù)表面質(zhì)量評估，結(jié)合正交試驗和優(yōu)化工藝，獲取最優(yōu)工藝參數(shù)。
　　構(gòu)建高速激光去除系統(tǒng)，研究激光能量和激光掃描速度等工藝參數(shù)對激光去除效果的影響，

7、得出很難通過試錯實驗來確定最優(yōu)工藝參數(shù)的結(jié)論。采用正交試驗方法，根據(jù)機理分析和在線監(jiān)測結(jié)果，確定正交試驗的因素及水平區(qū)間，采用L9(34)正交試驗方案，初步判斷出較優(yōu)的參數(shù)水平區(qū)間。根據(jù)表面質(zhì)量評估準則，進一步優(yōu)化工藝參數(shù)，獲取最優(yōu)工藝參數(shù):當(dāng)氧化層厚度約30μm時，激光功率為20W，掃描速度為3000mm/s，激光作用次數(shù)2次。在最優(yōu)工藝參數(shù)下，金屬氧化物被去除干凈，去除度達到100％;分析橫截面金相具體形態(tài)，表面同內(nèi)部相比沒有發(fā)生變