关键词： 飞秒激光   湿法刻蚀   干法刻蚀   氮化镓   微结构  

摘要： 氮化镓(GaN)是典型的第三代半导体材料,在高频、大功率电子器件以及深紫外光、蓝光、绿光等光电子器件领域中具有十分重要的应用价值。但由于GaN材料具有很高的硬度和化学稳定性,难以实现在GaN材料表面制备大面阵微结构。目前,常采用传统的干法刻蚀对GaN材料进行加工,而传统的干法刻蚀需要与光刻掩膜工艺相结合,导致其加工工艺复杂、技术门槛高,并且在刻蚀过程中反应速率慢使得微结构加工周期长。因此,研究一种工艺简便的加工方式来制备GaN材料大面阵微结构具有重要意义。针对现有在GaN材料表面制备大面阵微结构技术中存在的问题,本文利用飞秒激光结合湿法和干法刻蚀的方式实现GaN表面微结构的加工。该方法主要是利用飞秒激光特有的性质对目标靶材局域内的材料进行去除,在GaN材料表面上以飞秒激光作用点为中心诱导形成激光烧蚀弹坑;再使用湿法刻蚀工艺或ICP干法刻蚀工艺做进一步加工,以实现GaN表面微结构的加工。本文的主要研究内容和研究结果如下:(1)利用飞秒激光技术研究GaN材料在激光辐照后的微结构形貌和化学成分的变化。探索烧蚀弹坑侧壁上形成的周期性纳米条纹结构,及辐照后弹坑侧壁形成的产物对后续刻蚀的影响。(2)利用飞秒激光技术和氢氧化钾(KOH)溶液湿法刻蚀技术相结合的方法实现GaN材料表面微结构制备。分析经过飞秒激光加工后不同极性GaN表面的湿法刻蚀机制,并探索飞秒激光加工参数、KOH溶液湿法刻蚀参数和不同极性GaN材料对最终刻蚀结构的影响规律,最终实现不同极性面GaN材料表面六边形微结构的制备。验证飞秒激光湿法刻蚀在GaN材料表面制备微结构的可行性。(3)基于飞秒激光辅助感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀技术,研究不同加工工艺对刻蚀结构形貌的影响规律。实验中通过改变刻蚀气体流速,实现GaN材料表面微结构形貌以及刻蚀后材料表面粗糙度的调控。并分析研究了不同飞秒激光加工参数在非真空和真空条件下进行预加工对ICP刻蚀后微结构的影响规律。通过改变飞秒激光脉冲个数、激光能量可以调控沉积在材料表面的氧含量,实现不同形貌微结构的制备。随后通过改变飞秒激光加工环境来消除氧元素对ICP刻蚀结构的影响,验证了沉积在GaN材料表面的氧元素对ICP刻蚀结构存在影响。

关键词： 航空线束   激光加工   温度场   正交试验  

摘要： 航空线束作为飞机上各部件有效连接的桥梁,在飞机的平稳运行中发挥着重要的作用。传统的导线端头绝缘层去除方式无法满足国内航空导线端头加工的质量和效率要求,现有的线束激光加工设备存在操作复杂、体型庞大、适用性差等问题。为解决以上问题,本文以航空导线为加工对象,通过数值模拟与试验分析,获得了较优的加工参数组合,并对小型线束激光加工设备进行了结构设计与可靠性分析。主要研究内容包括:对绝缘层激光加工原理分析,根据材料的吸收性能确定了激光器型号参数,并通过试验证实了可行性。利用有限元软件对激光加工绝缘层过程进行数值模拟,建立激光热源运动模型和热传导数学模型,分析了绝缘层的温度场分布情况及加工参数对温度场的影响规律。设计长焦深、小光斑激光加工光学系统,通过点列图、波像差、MTF曲线、点扩散函数和衍射圈入能量对系统成像质量进行评价,分析加工装配误差对系统像质影响,最终确定优化后的多透镜聚焦光学系统。搭建导线激光加工试验平台,进行单因素试验探究激光功率、加工转速和加工时间对加工质量的影响规律,通过离焦试验验证了光学系统设计满足使用需求,进行正交试验并分析得出导线最优加工参数组合。结合以上研究工作,对导线端头绝缘层激光剥除设备进行结构设计,通过分析与计算确定了各装置中传动系统与动力系统元器件型号,使用有限元仿真软件对主要零部件进行分析,确定该设备在使用中具有高可靠性。研究表明,本文提出的基于405nm半导体激光器的线束激光加工设备设计方案具有可工程化应用的前景,可以实现航空导线绝缘层高质量、高效率地加工去除。

关键词： 飞秒激光   BF33硼硅玻璃   微透镜阵列   数学模型   烧蚀机理   烧蚀阈值  

摘要： 德国肖特公司生产的BOROFLOAT?33(BF33)是一种高品质的硼硅玻璃材料,具有透光率高、热膨胀系数低、耐热性强、化学稳定性好等优点,被广泛应用于航空航天、电工电子、MEMS器件封装、生物医疗及光学等领域。然而,现阶段实现玻璃等硬脆性材料的微结构加工还存在很大困难,传统的机械加工方法无法满足玻璃精细加工的要求。目前飞秒激光作为一种新兴的加工方式极具应用前景,因其脉宽极短、单脉冲能量极高的特性,对硬脆性和高熔点材料的高精度微纳加工具有显著优势。因此本文利用飞秒激光技术进行BF33硼硅玻璃的微结构加工,通过分析飞秒激光烧蚀透明电介质的机理,建立物理模型,模拟得到理论烧蚀阈值;通过飞秒激光多脉冲累积烧蚀实验,求解得到实验烧蚀阈值;通过单因素实验和正交实验进行激光参数优化,得到微透镜阵列结构的最优激光加工参数,最后进行氢氟酸腐蚀实验得到了光滑的微透镜阵列。主要研究内容如下:(1)根据透明电介质材料电子密度随时间的变化关系方程和雪崩电离、多光子电离理论,建立了飞秒激光烧蚀BF33硼硅玻璃的物理模型,通过MATLAB软件对BF33硼硅玻璃的烧蚀阈值进行编程计算,得到理论数值;(2)开展不同重复频率下的多脉冲累积烧蚀实验,根据超景深显微镜图及数学模型,求解BF33硼硅玻璃的烧蚀阈值,得到实验数值,并分析了多脉冲作用下材料烧蚀阈值的变化特点;(3)通过单因素飞秒激光烧蚀实验,得到了激光功率、重复频率、扫描速度和扫描次数对BF33硼硅玻璃烧蚀质量的影响规律,通过多因子正交实验得到了最优的激光加工参数,并进行实验验证对比了优化前后的激光加工形貌;(4)以优化后的实验参数为依据,进一步探究了激光参数对微透镜圆度、直径和深度的影响规律,综合分析得到最佳的微透镜加工参数,利用该激光参数制备得到深度为15μm、直径为33.4μm(深径比约为1:2)的微透镜及其阵列结构,并探究了微透镜直径和表面形貌随氢氟酸腐蚀时间的变化规律,最后对微透镜阵列的光学性能进行了检测。

关键词： 激光加工   机器视觉   振镜校正   图像处理   模板匹配  

摘要： 随着激光加工市场需求的不断提高,激光加工需要解决一些不易定位的非规则特征点的复杂工件识别定位问题,比如异型件、大尺寸工件以及三维工件,由于振镜幅面以及相机幅面的限制,存在加工或拍摄只能针对工件局部的情况,然而处理这些情况用到的平台移动和图像拼接技术自身会引入误差,影响加工精度。考虑上述原因,本文利用机器视觉技术,基于模板匹配图像算法的原理,提出了利用局部图像特征匹配整体理论模型特征的识别定位方案,并通过软件设计实现了方案,同时对系统各部分误差进行了校正,提高了识别定位精度。本文主要内容包括以下几个方面:(1)根据模板匹配激光加工视觉定位系统的需求,设计并搭建了激光加工视觉定位工作平台。(2)根据现有的振镜校正方案——九点法以及曲面拟合网点校正法,提出了一种角点逼近振镜校正方案,提高了精度和效率。(3)提出了一种基于胶片蒙板的振镜校正方法,将胶片作为精密测量工具,实现了简单便利的低成本远程振镜校正工作。(4)提出了基于模板匹配的非规则特征复杂工件的识别定位方法,利用模板匹配的局部匹配整体的思路,通过选取局部区域特征进行描述,将其与理论模型整体进行匹配,在前期误差校正工作的基础上,实现了复杂工件的精确定位。(5)针对上述各项方案编写了配套的基于模板匹配的复杂工件激光加工视觉定位软件控制系统,实现了系统控制、误差校正、以及模板匹配定位功能并进行了大尺寸圆盘工件识别定位的实验验证,对实验结果进行了分析和展示。

关键词： TiNiCuNb合金   激光加工   显微组织   马氏体相变   力学性能  

摘要： 本论文采用激光加工技术对TiNiCuNb形状记忆合金分别进行焊接和表面重熔加工处理,并详细研究了不同激光功率对焊接和重熔处理后TiNiCuNb合金的显微组织、马氏体相变行为和力学性能的影响机理。研究结果表明,TiNiCuNb合金焊接接头显微组织的相组成与母材合金相似,主要由B19马氏体相、Ti(Ni,Cu)相和β-Nb三相组成。但是,与母材合金相比,焊接接头的相分布和形态发生了变化,原母材合金中β-Nb相沿热轧制方向在基体上成条带状分布,焊缝区中的β-Nb相与基体相混合在一起呈树枝状沿着熔池散热方向弥散分布。激光功率增加,导致焊缝中的Ni、Cu元素烧损严重,Ni含量降低导致焊接接头马氏体相变温度升高。在三种焊接工艺中,400 W焊接接头的马氏体相变温度最高,比母材合金的马氏体相变温度提高了15.64℃。400 W焊接材料的拉伸性能最好,其抗拉强度为660 MPa,延伸率为11.7%,分别为原始合金的96%和79.6%。TiNiCuNb合金经过激光重熔后,形成了与基体结合良好的重熔层。与母材合金相比,重熔层组织中的相组成未发生改变,但是相分布发生了改变。随着重熔功率增加,长条状的β-Nb相尺寸变小,均匀地分散在整个基体上。重熔合金的马氏体相变温度随着重熔功率地增加而升高,与母材合金的马氏体相变温度相比,90 W重熔合金的马氏体相变温度升高了4.44℃。对于70 W重熔处理的材料,经过500次热循环后,其马氏体相变峰值温度升高了2.53℃,是三种功率重熔合金中温度偏移最大的。重熔合金具有良好的耐磨性和高硬度,90 W重熔合金的硬度最高、耐磨性能最好。重熔功率越大,重熔层中的β-Nb相和Ti(Ni,Cu)相越分散,在整个基体上地分布越均匀,从而导致合金的硬度提高。重熔层耐磨性提高与β-Nb相尺寸有关,重熔功率越大,β-Nb相尺寸越小,重熔层的摩擦系数越低。90 W重熔合金经过300℃、400℃、600℃退火后,重熔层组织中的相分布并没有发生明显改变,细小的第二相仍均匀弥散地分布在基体上。重熔合金在600℃退火1小时后,合金表面的显微硬度降低,合金的延伸率得到提高。

关键词： 静压干气密封   导流介观纹理   压力波动   激光加工   气体压力  

摘要： 近年来，随着现代工业技术的快速发展以及人们对环保要求的日益提高，促使石油、化工、冶金、航空和航天等相关工业朝着零污染、低能耗和高效益的方向发展。鉴于此，传统的液体润滑机械密封已难以满足工况要求，相比之下普通干气密封尽管已得到成功应用，但是一直存在端面易碰磨，密封易失效的问题，且安全稳定生产无法得到有效的保证。静压干气密封（HydrostaticDryGasSeal,HS-DGS）以其不受转速限制，泄漏少、运行稳定性高等优异性能受到广泛关注并广泛应用于搅拌器、反应釜等低速设备中。本文以小孔节流静压干气密封为研究对象，利用数值计算方法，对比分析了不同密封端面开槽设计下HS-DGS微尺度流场的导流特性，开展了介观纹理下不同几何参数（均压槽宽度和深度、介观纹理深度、宽度及间距）和操作参数（气膜厚度、节流孔直径、进口压力）对HS-DGS性能的影响规律及槽内气体压力波动特性研究，主要从理论分析、数值模拟、开槽实验三个层面开展考虑静压干气密封槽底介观纹理的微观特性及其抑扰机制研究。旨在阐释合理的定向介观纹理造型设计对静压干气密封性能改善的作用机制，最终实现基于槽底介观纹理造型改性的静压式干气密封，具有重要理论研究价值及应用前景。　　首先，以径向单列环形均压槽HS-DGS为分析对象，采取MATLAB数值计算和Fluent仿真模拟相结合的方式，通过对HS-DGS密封端面进行槽型设计、建模、网格划分及仿真计算，初步探究了HS-DGS端面槽区的气体流动特性，并对比分析了两种数值计算方法的计算结果，为进一步系统分析静压干气密封微尺度流场的导流特性提供方法依据。　　其次，基于湍流大涡模拟理论，探究了介观尺度下导流纹理的抑扰特性，分析了不同几何参数和操作参数下导流介观纹理对HS-DGS扰动特性的影响，以密封开启力、泄漏量、端面气膜压力波动方差等为性能指标参数，以端面压力波动为优选目标，通过系统性仿真计算，得到了定向导流介观纹理的最优设计参数;通过内部流场（压力场和速度场）分析，进一步揭示了HS-DGS产生微振动的诱因，并对比分析了有无定向导流介观纹理HS-DGS均压槽内的气体流动和压力波动特性，结果表明在均压槽内加设一定数量和参数的定向导流介观纹理可有效减小密封端面压力波动，明显改善了槽区的气体流动特性和气膜稳定性，有效提高了HS-DGS的使用性能。　　最后，通过仿真计算获得的最优设计参数，并进行了槽底开槽实验;进一步开展了槽底精密加工和有序加工试验，同时测试获取了填充间距、重复频率及扫描速度等激光加工操作参数对端面粗糙度、槽深等性能参数的影响规律。结果表明：基于可控超快激光加工技术，可获得质量合格的槽底有序介观纹理设计的静压干气密封槽型，并尝试提出了一种新的质量检测评价方法，具有较好的操作性。

关键词： 薄壁曲面   装夹变形   表层图案   激光加工   轨迹修正  

摘要： 精密金属表层图案是高性能天线等关重件的核心功能结构,在零件轻量化及结构功能一体化发展趋势下,其加工逐渐以激光刻蚀技术为主。但由于薄壁件受装夹力作用发生形变,理想轨迹下易引发光束偏焦和图案形位偏差等问题,难以保证加工精度。鉴于此,本文开展了虑及夹紧变形的薄壁件表层图案激光加工轨迹修正方法研究,内容如下:首先,阐明薄壁回转件的工件-夹具摩擦力需求,将夹紧部位简化为理想周边固支平圆板,计算表明挠度超过激光传统焦深。基于传热及激光基础理论建立了聚焦与离焦工况下的金属靶材移动脉冲激光烧蚀截面尺寸预测模型。在铝靶材表面加工微槽的截面轮廓及烧蚀尺寸-离焦量变化规律与预测结果吻合较好,最大蚀深和蚀宽预测误差分别为5.69%和8.05%。以烧蚀尺寸允差确定激光许用焦深为0.52mm。考虑激光加工特点及表层图案精度要求,提出加工轨迹步长规划方法。然后,利用ANSYS模拟了典型回转件薄壁圆筒受径向夹紧力作用,分析了轴向、径向和切向变形的大小及分布规律,并通过对节点变形方向向量坐标插值拟合求解理想曲面上任一点变形方向向量,结合曲面模型建立曲面映射关系。由装夹变形曲面点云构建四边形网格曲面,将映射轨迹点求解抽象为射线与四边形网格求交问题并建立算法流程。在平板模拟加工线性图案,将近似圆弧状夹紧变形等效为激光头抬升量,结果表明槽深与激光头抬升量呈明显负相关,验证了进一步轨迹点数量优化的必要性。接着,定义了光斑路径曲线和理想图案曲线并建立曲率半径估算方法,并以映射前后的轨迹步长变化规划轨迹点数量优化区域,以激光焦点实际路径与理想路径的偏差建立烧蚀深度误差和烧蚀图案曲线轮廓误差评价函数,讨论了误差阈值约束下映射轨迹点加密与精简方法。由五轴数控激光加工机床多坐标系模型建立了规划轨迹点坐标到激光焦点坐标的变换公式,并构造了面向数控激光加工的轨迹点后处理模块。最后,利用本文方法对矩形图案直线边规划轨迹点后,轨迹形状基本符合工件变形规律,验证了方法对特殊图案的普适性。进一步加工星形内摆线阵列图案,结果表明烧蚀深度和宽度误差抑制度分别为72.72%和86.41%,尺寸偏差小于5%。图案阵列周向相对位置精度提高约20μm,单个图形周向尺寸精度提高约120μm,且更好地保留了星形内摆线几何特性。基于MATLAB开发了薄壁曲面表层图案激光加工轨迹自动生成软件。研究成果对回转件表面金属图案精密加工具有借鉴意义,为薄壁曲面表层图案加工提供理论基础和技术支撑,为我国航空航天、无线通信等领域精密部件制造提供借鉴。

关键词： SPOC课程   激光加工   “1+X”教学模式  

摘要： 随着教育改革的不断深入和学生主体教育理念的提出,客观要求各学科做好教学活动的改革,创新教学的方式方法,更好地发挥学生的主体行为。激光加工课程是中等职业院校的一门课程,要求学生具备良好的专业性和实践能力。考虑到中职院校的特点,结合信息化技术的发展,提出SPOC课程,打造"1+x"教学模式,提升学生的专业水平,同时推动教育课程的信息化发展。

关键词： 激光加工   电沉积   304不锈钢   疏水性   耐磨损  

摘要： 自然界中存在着大量疏水现象,其优异的表面性能受到越来越多的关注。通过制备疏水表面可以进一步扩大使金属材料的应用领域,同时具有优异耐久性的疏水表面可以极大提高疏水材料的使用寿命。本文受自然界中鲤鱼鳞片结构启发,采用激光加工与电沉积相结合方法在304不锈钢表面制备了仿生鱼鳞微结构,通过在金属表面制备微纳米级粗糙结构,复合结构使不锈钢表面形成疏水效应,电沉积镍原子增强了表面的耐磨损性,磨损过程中保留了表面复合微结构尺度和形貌,保证了表面的疏水特性。通过改变激光加工尺寸和电沉积时间调控仿生微结构形貌特征,研究了仿生微结构对不锈钢表面润湿性和耐磨性的影响。结果表明,经激光加工处理不锈钢表面出现仿生粗糙微结构,材料表面润湿性由亲水性转变为疏水性,当激光加工尺寸为100μm时,水接触角达到最大,为143.8°,再经电沉积处理后不锈钢表面水接触角增大到146.9°。磨损试验结果表明,镍原子沉积能够改善不锈钢表面的耐磨损性能,随着电沉积时间的增加,材料表面耐磨性逐渐增强,并且在单脉冲电沉积条件下,材料耐磨性达到最优,与不锈钢抛光表面相比,试样磨损质量减少了75.5%。耐久性测试结果表明,不锈钢仿生疏水表面具有优异的耐久性,且耐久性会随着表面耐磨性的提高而增强,经800目砂纸打磨10m,激光加工与单脉冲电沉积仿生疏水表面水接触角最多减少2.8°和1.1°,由此说明单脉冲电沉积仿生疏水表面具有更好的耐久性。本文通过激光加工与电沉积复合在不锈钢表面构筑出仿生疏水耐磨结构,为不锈钢材料在疏水自清洁和耐磨损等方面的应用与研究提供了一定的参考价值。

关键词： 节流孔板   电火花加工   高频脉冲微细电解加工   组合加工  

摘要： 微流量控制器是航天电推进系统中用于精确控制下游流量的重要单机产品;节流孔板作为其中的关键功能单元,其加工精度直接影响流量控制的准确性。为解决节流孔板复杂孔槽型腔与阵列大深径比微孔的加工难题,本文在比较分析常见加工方法之后,确定电火花与电解及其组合是制造上述结构的合适方法。建立节流孔板微流道的流阻化网络结构,根据流体动力学理论推导了流阻各元件的数值分析模型,利用FLUENT软件仿真了输出流量随压力比变化的特性,模拟了流阻元件尺寸和粗糙度条件对稳定控制流量的影响。仿真结果确定关键结构节流孔径为0.15mm,重要指标粗糙度控制在1μm下时可兼顾控制精度与经济适用性。使用电火花方法制造复杂孔槽型腔。首先根据相关理论分析了影响电极损耗的因素,通过设计正交实验探究了不同直径电极下各电参数对损耗的作用趋势及补偿策略;计算并确定采用Cu W70合金作为耐蚀工具电极;比较了三种轨迹规划方式对孔槽型腔形位精度的影响,设计了翻面用二次装夹专用夹具。实验结果表明,使用简单往复的电火花铣削轨迹会使得底面有较大的台阶残留;使用仿形法粗加工与之字法精加工的电火花铣削方法可有效改善圆度及底面质量,整体粗糙度可控制在0.4μm以内;同时,夹具保证了节流小孔前后容腔圆的同轴度。根据流阻模型的分析,节流小孔是保证下游流量控制的关键组成,除了满足基本的尺寸形位精度及粗糙度要求,还应当去除电火花加工之后表面产生的重铸层;为此,在现有的电火花加工机床上加装高频脉冲电源及电解槽等组成的微细电解模块,在同一工位进行修整。结果显示利用组合加工获得的微流道节流小孔,孔径一致性控制在2μm内,表面粗糙度降低约40%,表面无电火花加工产生的凹坑、翻边等缺陷。