激光去除金屬氧化物的機(jī)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(lái)激光技術(shù)應(yīng)用的重點(diǎn)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(shí)形成高性能的表面質(zhì)量，提高界面結(jié)合強(qiáng)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(shì)，可在大型海洋工程裝備、船舶制造、全自動(dòng)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(jī)理研究主要集中在仿真模擬，激光去除機(jī)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(duì)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(guò)常用的試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)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(huì)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(kāi)展激光去除金屬氧化

3、物的基礎(chǔ)研究，主要研究?jī)?nèi)容有:
　　(1)分析激光去除金屬氧化物的微觀過(guò)程，揭示激光去除金屬氧化物的物理機(jī)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(cè)激光去除金屬氧化物的微觀過(guò)程，分析激光等離子體光譜譜線成分和強(qiáng)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(jī)理;檢測(cè)激光去除過(guò)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(guò)程，研究激光去除過(guò)程的彈性振動(dòng)效應(yīng)。結(jié)合形貌分析，提出金屬氧化物的激光去除機(jī)理是激光燒蝕的物理化學(xué)效應(yīng)和彈性振動(dòng)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(cè)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(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)分析激光去除程度。
　　成本低、操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、對(duì)平臺(tái)和環(huán)境要求低等使用條件，是工業(yè)應(yīng)用對(duì)在線監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)激光誘導(dǎo)等離子體發(fā)光信號(hào)和聲波信號(hào)的

5、檢測(cè)。采用等離子體發(fā)光強(qiáng)度峰值的變化趨勢(shì)，以及聲波持續(xù)時(shí)間的變化趨勢(shì)，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(qiáng)度峰值與作用激光能量的關(guān)系，計(jì)算出基體損傷能量閾值等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，驗(yàn)證激光去除機(jī)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(píng)價(jià)準(zhǔn)則。
　　定義激光去除效果評(píng)價(jià)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(cè)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(píng)價(jià)準(zhǔn)則，提出表面質(zhì)量的評(píng)估方法，為激光去除效果的評(píng)價(jià)建立準(zhǔn)則。
　　(4)提出系統(tǒng)選取最優(yōu)工藝參數(shù)的有效方法:由機(jī)理分析入手，以檢測(cè)技術(shù)為輔，確定因素及水平，根據(jù)表面質(zhì)量評(píng)估，結(jié)合正交試驗(yàn)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(duì)激光去除效果的影響，

7、得出很難通過(guò)試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定最優(yōu)工藝參數(shù)的結(jié)論。采用正交試驗(yàn)方法，根據(jù)機(jī)理分析和在線監(jiān)測(cè)結(jié)果，確定正交試驗(yàn)的因素及水平區(qū)間，采用L9(34)正交試驗(yàn)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(píng)估準(zhǔn)則，進(jìn)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(shí)，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(dá)到100％;分析橫截面金相具體形態(tài)，表面同內(nèi)部相比沒(méi)有發(fā)生變