关键词： 超级电容器   激光加工   石墨烯   微纳结构  

摘要： 柔性电子设备朝多功能、小型化的方向发展，刺激了社会对高性能、柔性、微型储能设备的强烈需求。柔性微型超级电容器（Micro-supercapacitors,MSCs）作为一种新型储能器件，以其高功率密度、高柔韧性和小体积等优点在储能领域备受关注。伴随激光诱导石墨烯（Laser-inducedgraphene，LIG）技术的出现，它为大规模、低成本加工柔性微型超级电容器提供了一种新的思路。然而，传统的LIG存在微纳结构欠丰富和电荷存储性能有限等问题，这限制了LIG技术在储能领域的发展。鉴于此，丰富LIG微纳结构实现高性能LIG的加工则显得尤为重要。　　本文提出了激光辅助纳米粒子沉积/化学刻蚀工艺，实现四氧化三铁纳米粒子沉积的LIG或纳米孔洞刻蚀的LIG的高效加工，主要内容有：　　(1)提出了一种激光辅助四氧化三铁纳米粒子沉积方法，实现四氧化三铁纳米粒子复合LIG（LIG/Fe3O4）的高效加工。探究LIG/Fe3O4的加工原理、微观形貌以及内部组成并揭示Fe3O4的沉积机理。在此工艺基础上，探究激光功率对LIG/Fe3O4电极基微型超级电容器性能的影响。结果表明，当激光功率为6.2W时，LIG/Fe3O4微型超级电容表现出较优的性能，其电容量为49.1mFcm-2，约为LIG基电容器电容量（~4.4mFcm-2）的11倍。　　(2)提出了一种激光辅助化学刻蚀方法，实现高比表面微纳多孔石墨烯的高效加工。分析了激光诱导与活化石墨烯（LIAG）的一体成形机理，并通过对激光辅助刻蚀前后产物的微观形貌、内部结构与组成及浸润性进行系统化研究，来揭示激光功率对LIAG加工质量的影响规律。结果表明，中等激光功率水平最有利于加工出丰富的孔隙结构、大比表面积（gt;1300m2g-1）与优异润湿性能（0°水接触角）的LIAG，且基于这种工艺加工的LIAG微型超级电容器在测试中实现了高达128.4mFcm-2的比电容。本文所提出的LIG性能优化方案，可为高性能LIG微型超级电容器的加工提供一种新的思路。

关键词： 抗反射表面   多尺度微纳结构   飞秒激光   铝合金   钛合金   FDTD仿真  

摘要： 面对强空间辐射、频繁的高低温变化、振动等极端工况,抗反射材料需长期稳定地保持高消光率以确保装备长期服役的可靠性。传统的涂层材料性能会随时间推移而下降。本文以2A12铝合金和TA7钛合金为典型材料,使用FDTD Solutions设计了目标微结构的参数,分析了不同结构参数及成分对抗反射性能的影响,进行了飞秒激光制备微纳结构的详细研究同时验证了抗反射微结构的极端环境适应性。本文的主要研究内容如下: 基于铝合金微结构的形貌及成分的表征,利用FDTD Solutions设计铝合金和钛合金抗反射微结构周期为14～16μm,高度为30～35μm。微结构的周期越小、高度越高,反射率越低。金属氧化物可在长波段显著降低垂直入射时的反射率。多尺度的层级结构在可见～中红外波段具有优良的抗反射性能。 分析不同参数的飞秒激光器的加工特点及它们对铝合金黑化的影响。采用两步叠加法、负离焦扫描法制备铝合金微结构,两者斜入射时在400～2500 nm及2.5～15μm波段平均镜面反射率差值为0.1%。选取加工时长短、加工步骤简洁的负离焦扫描加工方式,制备出周期为16μm,深度为29～32μm的微结构,400～2500 nm波段的平均反射率为5.58%,12°斜入射时在2.5～15μm波段的平均反射率为8.5%,30～60°入射时的平均镜面反射率低于1%。对激光制备的铝合金抗反射样片进行了包括剧烈振动、热真空、高低温循环等典型极端环境的测试,微结构表面的纳米颗粒无明显脱落,抗反射性能未明显下降。 基于铝合金抗反射样片的加工经验制备TA7钛合金抗反射微结构,以设计目标为加工对象,详细开展实验研究各个飞秒激光加工参数(激光功率、脉冲重复频率、扫描速度、扫描间距、离焦量)对微结构形貌的影响。逐步寻找到合适的加工参数,制备出周期为16μm,深度为27～34μm的微结构。12°斜入射时在2.5～15μm波段的平均反射率为4.1%,30～60°入射时的平均镜面反射率低于1.5%。

关键词： 电火花加工   磁场   SiCp/Al复合材料   加工效率   表面质量  

摘要： 碳化硅颗粒增强铝基复合材料(SiCp/Al)凭借其密度小、比强度高、耐磨性高、尺寸稳定性好、热膨胀系数小等优势,已成为应用最广泛的航空航天微波组件封装材料。传统加工方法中刀具与工件直接接触,存在加工效率低、加工表面质量差等问题。与传统加工方法相比,电火花加工性能与材料的导电性和导热性密切相关,因此电火花加工高硬度、高导电性材料具有一定的优势。为进一步提高SiCp/Al复合材料的加工效率、改善加工表面质量,本文对磁场辅助电火花加工SiCp/Al复合材料开展了相关的基础研究。主要研究内容如下:(1)基于电火花放电基本原理,对磁场辅助电火花加工机理进行了研究。分析单个带电粒子的受力情况,建立磁场作用下带电粒子运动轨迹的数学模型,探索磁场对带电粒子运动的影响规律。针对等离子体放电通道,仿真分析磁场辅助电火花等离子体放电通道的形成过程,研究外部磁场对放电通道中电子密度的影响规律,为后续工艺研究提供了理论支撑。(2)搭建了磁场辅助电火花加工实验平台,并通过对SiCp/Al复合材料依次进行单脉冲实验、铣削实验和钻削实验研究磁场辅助电火花加工工艺。针对磁场辅助单脉冲放电实验,以电流、脉宽和磁感应强度为因素,以放电凹坑直径、深度和体积为工艺指标,分析各因素对火花放电的影响规律,验证磁场对加工优化的有效性。开展了电火花铣削和钻削加工实验,以磁感应强度和磁场方向为因素,以材料去除率、电极损耗率和表面质量为工艺指标,探索磁场对加工性能的影响规律,实验结果表明:适当的磁场可以提高材料去除率、降低相对电极损耗率。(3)研究了磁场辅助电火花加工不同体积分数SiCp/Al复合材料的加工工艺和参数优化。为了提高SiCp/Al复合材料的加工性能,本文根据各加工参数设计了正交试验,研究了各加工参数对加工工艺目标的影响规律。通过极差分析法对磁场辅助电火花加工工艺进行单目标优化,得到单个工艺目标的最佳值。研究发现,40%和65%体积分数SiCp/Al复合材料的材料去除率达到13541μm3/s和11234μm3/s,电极损耗率达到833.3 μm3/s和1160.4μm3/s,表面粗糙度达到0.19μm和0.78μm,达到优化目的。为了完成工艺目标的全局优化,本文采用灰色关联分析法来实现优化目的。研究发现,40%体积分数SiCp/Al复合材料的参数优化结果中材料去除率为13362.3μm3/s,电极损耗率为849.7μm3/s,表面粗糙度为0.31μm;65%体积分数SiCp/Al复合材料的参数优化结果中材料去除率为9786.9μm3/s,电极损耗率为1307.5μm3/s,表面粗糙度为0.92μm。通过灰色关联度进行验证,满足实验优化要求。

关键词： 纳秒脉冲激光   C/C复合材料   数字图像相关   位移应变   工艺参数   正交试验  

摘要： 碳纤维增强碳基复合材料(C/C)具有热膨胀系数低、耐腐蚀、抗热冲击和耐磨损等特点,在武器装备、航空航天和汽车制造等领域得到日益广泛的应用。传统加工技术难以实现对其的高精度加工,激光加工技术对材料的尺寸、材质和形状要求低、加工精度高和热损伤少,具有其它加工方法所不具备的优势。因此,本论文以C/C复合材料为研究对象,研究纳秒脉冲激光与C/C复合材料的相互作用机理,基于正交试验探讨了工艺参数对试验指标的影响主次和因素显著性以及烧蚀区的氧化规律,通过数字图像处理技术(DIC)分析了工艺参数对材料变形的影响规律。具体的研究内容如下:(1)通过四因素五水平的正交试验,对纳秒脉冲激光加工C/C复合材料工艺参数影响主次、因素显著性和作用机理进行了研究。以重复频率、激光功率、扫描速度和脉冲宽度为影响因素,切割宽度、切割深度和熔融物高度为试验指标,对比了不同脉冲频率下材料的烧蚀阈值。结果表明,激光脉冲频率会影响材料的烧蚀阈值,重复频率为40-70kHz时,烧蚀阈值范围为1.10-1.19J/cm2,并且各因素中激光功率对试验指标的影响最大。(2)为了探究纳秒脉冲激光参数对C/C复合材料加工特性的影响问题,通过单因素实验,比较了不同工艺参数下烧蚀区切割宽度、切割深度、熔融物高度、热影响区宽度以及加工表面微观形貌和材料氧化状况。结果表明,随着重复频率的增加,切割宽度、深度和熔融物高度都呈现先增大后减小的趋势,临界状态的重复频率为40kHz。激光功率和脉冲宽度的增加会使切割宽度、深度和熔融物高度逐渐增加。提高扫描速度可减少切割宽度、深度和熔融物高度以及热影响区宽度,提高重复频率和扫描速度可降低烧蚀区氧化。(3)针对纳秒脉冲激光加工过程中因热应力集中导致的材料变形问题,利用DIC技术分析了激光工艺参数与加工过程中位移和应变规律,优化了加工效果。结果表明,随着时间的增加,各方向上的变形都逐渐增加,其中垂直扫描方向上的应变远远大于沿扫描方向和两方向上的合应变且最大变形集中在切割边缘。重复频率越大,材料纵向应变越小。激光功率较低时材料负向应变较大,功率增大材料逐渐发生正向应变,扫描速度越低,变形越大,脉冲宽度对变形的影响并非线性。最优切割宽度参数为:70kHz,18W,100mm/s,300ns;最优切割深度参数为:60kHz,36W,80mm/s,400ns;最优熔融物参数为:70kHz,12W,100mm/s,200ns。通过实验数据的分析,验证了优化参数的有效性。

关键词： 激光加工   三维多焦点调控   反馈加权3D-GS算法   空间光调制器   能量动态反馈  

摘要： 激光三维多焦点技术具有能量利用率高和加工效率高等优点，但现有的三维多焦点调控方法普遍存在焦斑能量分布均匀性低的问题。本文通过基于空间光调制器和CCD相机的反馈加权3D-GS算法，提出了一种激光高均匀性三维多焦点光场重建方法，能够补偿实际光路中器件的制造和安装误差。将该算法得到的全息图加载至空间光调制器能够得到高均匀性的多焦点光束。具体研究内容如下：　　首先，介绍了实现二维到三维多焦点的原理，分析了光栅与透镜相结合的非迭代法原理以及基于三维傅里叶变换的迭代算法原理。在此基础上，介绍了计算三维多焦点相位全息图的常见算法，详细分析了光栅透镜法和角谱3D-GS算法的计算过程。利用角谱3D-GS算法进行了三维多焦点仿真实验，结果表明，两种不同平面间距l1=1cm，l2=5cm情况下的位于4个不同z轴平面的“HBUT”三维结构经过20次迭代计算的焦点能量分布均匀性分别为73%和76%。　　其次，介绍了液晶空间光调制器的电场效应和相位特性。先后推导了透镜和闪耀光栅的相位调制函数，并分析了透镜的傅里叶变换性质以及衍射光栅能够产生多光束的原理，说明了空间光调制器数值模拟产生三维多焦点光学元件的相位调制作用。并对实验过程中使用的高斯光斑的参数进行了分析。　　再次，研究了能量反馈原理，在此基础上提出了反馈加权3D-GS算法，分析了该算法的计算过程，并将其与光栅透镜法以及角谱3D-GS算法进行对比分析。分析了为了实验验证反馈加权3D-GS算法的可行性所编写的基于LABVIEW软件的高均匀性三维多焦点程序操作过程。　　最后，设计并搭建了实验光路系统平台，并设计了多点分层和螺旋三维期望光场分布结构模型，利用反馈加权3D-GS算法进行了三维多焦点调控实验。实验结果显示，通过20次能量反馈迭代计算，由47个点组成的位于4个不同z轴平面的多点分层“HBUT”三维结构的多焦点能量分布均匀性达到了96%。通过5次能量反馈迭代计算，由15个点组成的位于15个不同z轴平面的螺旋三维结构的多焦点能量分布均匀性达到了 94%。将两种三维结构的能量动态反馈前后的光场分布进行对比，可以明显看出增加能量反馈后的焦斑能量分布均匀性得到了显著提高。

关键词： Ti6Al4V   交联框架   微结构   脉冲激光   疏水性能  

摘要： 涉水装备对于经济发展和国防建设具有强大的支撑作用。涉水零部件需要满足一定的疏水性能和流体减阻性能,以长期稳定地低流动阻力服役。过去的研究表明,在涉水零部件上制备疏水表面微纳结构是有效方法。但是,传统方法制备的疏水表面微纳结构具有不耐冲击磨损的缺点,机械性能较差。为此,本文以Ti6Al4V为研究对象,采用红外纳秒激光加工技术和简单的化学处理,研究了Ti6Al4V表面疏水交联框架微结构的制备工艺及性能。研究表明,所制备的交联框架微结构不仅具有良好的疏水性能、机械性能和耐腐蚀性能,而且具有显著的流体减阻潜力。为了在平整表面上制备Ti6Al4V表面疏水交联框架微结构,首先研究了红外纳秒激光抛光Ti6Al4V表面。研究了激光参数对激光抛光效果的影响,并得到了优化的激光抛光参数。研究表明,激光参数通过影响工件表面激光能量分布和单次扫描能量通量以影响抛光效果。在优化的激光抛光参数下,Ti6Al4V表面的粗糙度从36μm降至3.1μm,降幅最高达到91%,获得了平整表面。在已激光抛光的Ti6Al4V平整表面上,采用C-B(卡西—巴克斯特)公式为指导,设计并采用了激光加工—低表面能修饰的方法制备了Ti6Al4V表面疏水交联框架微结构。首先验证了结构的实际接触角与C-B公式理论接触角的一致性,并初步体现了其兼有疏水性能和耐磨性能。然后运用激光加工的隔热工艺和激光辅助化学后处理工艺,改善了疏水交联框架微结构的内腔形貌和裂纹缺陷。研究了Ti6Al4V表面疏水交联框架微结构的性能。以钢珠砂冲击和热人工海水浸泡两种工况试验交联框架微结构的机械性能和耐候性能。以静态接触角、水射流流动阻力和极化曲线的测试,并佐以表面微观形貌、化学成分和接触电阻的数据,评价了疏水性能、流体减阻性能和耐腐蚀性能。研究发现,原始的交联框架微结构具有较强的疏水性能和耐腐蚀性能,机械性能和流体减阻性能较弱;而经激光辅助化学后处理的交联框架微结构,其机械性能和流体减阻性能更佳,水射流流动阻力低至常规疏水微纳表面的70%以下。以上性能研究结果表明,通过合理的设计和制备的Ti6Al4V表面疏水交联框架微结构,不但具有一定的疏水性能和良好的流体减阻性能,还具有机械性能和耐腐蚀性能,从而具有广阔的应用前景。

关键词： 微细电火花加工   微回转结构   螺旋槽结构   表面质量   YG8硬质合金  

摘要： 微小型零件与微切削刀具广泛应用于微机电、航空航天和生物医疗等领域。目前工业上主要采用精密磨削技术对模具钢或硬质合金的圆柱坯料进行加工来获得微小型零件或微切削刀具。然而,由于微小零件或微切削刀具的圆柱坯料具有直径小、强度低、硬度高和脆性大等加工难点,磨削加工等传统加工工艺产生的震动和切削力大等负面因素极易导致材料变形或者断裂,从而导致加工效率低、难度大和废品率高等难题。而微细电火花加工技术与磨削加工等传统加工工艺相比,具有无切削力和无接触等优点,并且不受被加工材料硬度和强度等特性限制,非常适合微小型零件与微切削刀具的加工。针对上述难题,本论文提出基于柱状工件旋转的微轴表面三维微结构的微细电火花加工和基于铍铜电极放电磨削加工微型钻头的螺旋槽结构两种加工工艺,并对加工过程的关键技术与参数优化进行深入研究。本文主要内容包括以下部分: (1)针对微轴类零件的制造,本文提出基于柱状工件旋转微轴表面三维微结构的微细电火花加工工艺。该工艺以紫铜块作为电极,在直径为300μm、材料为YG8硬质合金的圆柱微轴表面加工回转微结构。本文通过单因素实验法分别研究了工件转速、加工电压和脉冲宽度对加工质量的影响。实验结果表明:当加工电压为80 V,工件转速为3000 rpm,脉宽为1μs,脉间为5μs,进给速度为1.3 mm/min时,微轴零件具有较好的表面质量,其表面粗糙度Ra为0.276μm。同时通过拓展研究验证表明本工艺不但可以在微轴上获得周期性微结构阵列,还可以获得形状各异的微结构组合。 (2)针对微型钻头的制造,本文提出基于铍铜电极放电磨削加工微型钻头的螺旋槽结构加工工艺。使用厚度为20μm的铍铜箔片作为圆片电极,在直径为100μm,材料为YG8硬质合金的圆柱表面加工螺旋微沟槽结构。本文通过正交实验法研究电极转速、加工电压和脉冲宽度对螺旋槽表面质量和螺旋槽宽度的影响。实验结果表明,加工电压为首要影响因素,对沟槽表面质量和沟槽宽度均有最显著的影响。当加工电压为24V,电极转速为4000 rpm,脉宽为1μs,脉间为3μs时,能够加工出表面粗糙度Ra为0.381μm的高质量表面形貌和沟槽宽度为94.408μm的螺旋微沟槽结构。同时通过实验验证,本文工艺能成功在直径50μm的圆柱表面加工出螺旋槽结构。 (3)本文分别对以上两个工艺的电极损耗情况进行分析。对于微轴加工工艺,本文使用单因素实验法分别研究了工件转速、加工电压和脉冲宽度对电极损耗的影响。为了提高加工效率,提出使用斜向进给方式进行加工,与原加工方式相比该方法可以使加工效率提升20%,同时工件表面粗糙度Ra为0.281μm,与原方式加工的结果接近。对于微型钻头加工工艺,本文使用SEM扫描电镜分析不同参数加工后的电极表面形貌。通过分析,不同加工参数加工的电极表面形貌几乎一致,电极损耗量较低,并且不破坏电极的形状精度和表面质量。因此,基于该工艺电极损耗量低的优势,在同等工况条件下电极可以重复加工多个螺旋槽。

关键词： 微细电火花加工   三维超声振动   电极损耗   加工特性   控制策略  

摘要： 随着现代工业的发展,为含有大量微小孔的精密机械产品的加工带来了巨大挑战。微细电火花加工技术易于加工高强度、高硬度材料,且具有微细化程度和加工精度高等优势,因此在制造领域具有重要的地位。然而,微细电火花加工微小孔过程中存在放电屑难以排出、加工过程不稳定的问题,限制了加工性能的进一步提升。针对以上问题,本文提出一种三维超声振动辅助微细电火花加工方法,并深入探索了三维超声振动辅助下的微小孔电火花加工特性。本文的研究工作有利于提升微小孔电火花加工的稳定性和加工质量。 为提升间隙工作液流速和排屑效率,提出了三维超声振动辅助微细电火花加工方法,其中电极在水平方向上做二维圆振动,工件在竖直方向做一维简谐振动。建立了无振动、电极振动、工件振动和三维超声振动辅助条件下的间隙流场仿真模型,仿真结果表明,不同条件下的间隙流场分布具有较大差异,无振动辅助下的放电屑排出速率较低,而三维超声振动辅助下的放电屑排出速率最高。微小孔加工实验结果表明,三维超声振动辅助对加工效率的提升最高。通过有限-连续脉冲放电试验研究了三维超声振动辅助下的间隙连续脉冲放电特性,与无振动辅助相比,三维超声振动辅助下放电凹坑重叠率减少了31.6%。 分析了三维超声振动辅助对材料去除过程的影响,并结合传热学与流体动力学理论建立了三维超声振动辅助微细电火花加工的热-流耦合材料去除仿真模型。结果表明,仅在电极振动条件下,由于放电点滑移,造成放电凹坑深度和熔融材料流速减小;工件振动则大幅提高了熔融材料的流速,增加了熔融材料喷溅去除强度;三维超声振动辅助则结合了以上两者的特点。验证实验结果表明,实际放电凹坑形貌与仿真凹坑符合程度较好,最大尺寸误差为10.98%,验证了该模型在研究三维超声振动辅助电火花加工材料去除特性方面的适用性。 针对三维超声振动辅助微小孔电火花加工中的伺服进给不稳定现象,通过建立数学模型进行了分析。根据伺服进给特性的不同,把加工过程分成初始阶段、正常加工阶段与穿透阶段。分析结果表明,在初始阶段与穿透阶段,放电面积随着加工深度的变化而变化,采用常规伺服策略极易对这两个阶段的加工状态产生误判从而影响伺服进给稳定性。正常加工阶段伺服进给过程较为稳定,但随着加工深度增加,出现短路回退的频率变大。针对这一现象,提出了分段伺服控制策略。对于初始阶段与穿透阶段,以开路率和异常放电率的差值为指标对伺服控制策略进行设计;对于正常加工阶段,提出根据加工深度动态调节抬刀周期的控制策略;使用信噪比分析方法分别对伺服控制参数和抬刀控制参数进行优化。验证实验结果表明,该分段控制策略有效提高了三个加工阶段的加工效率。 为研究三维超声振动辅助方法和所提出的分段伺服进给策略对加工质量的影响,进行了微小孔加工试验。结果表明:三维超声辅助能有效减小微小孔表面的烧伤面积、放电屑粘附、粗糙度和裂纹数量,这与该条件下的熔融材料去除量大、放电能量分布较为均匀、碎屑排出速率高有关。三维超声振动辅助与无振动辅助下的电极损耗特性相似,电极损耗长度随加工的孔数基本呈线性增长,但三维超声振动辅助下的电极损耗较小。与无振动辅助相比,电极振动、工件振动和三维超声振动辅助下加工的阵列微小孔孔径一致性和孔口质量都得到了提升,但三维超声振动条件下的提升幅度最大。与常规伺服控制策略相比,分段控制策略使孔口质量和孔径一致性都得到了提高。

关键词： 激光加工   液相制备   石墨烯   氮掺杂   气敏传感器   可穿戴传感器  

摘要： 石墨烯是一种新型二维材料,具有优异的光学、电学、力学特性,并且对NO气敏性能优越,在气敏传感器方面具有重要的应用前景。本论文通过对石墨烯制备方法的改进,激光对前驱体进行诱导其转变为石墨烯结构并掺杂N元素制备气敏传感器。采用多种表征技术对石墨烯材料进行形貌和结构分析,并对气敏性能进行测试,其主要内容和结论如下:用波长532 nm激光器刻蚀不同浓度PEG溶液中SiC,输出功率5.15 W,扫面速度20 mm/s,制备传感器。在100 ppm、200 ppm、300 ppm NO气体浓度下,灵敏度为3.5%、4.5%、6.1%;在200 ppm NO浓度循环测试中,灵敏度是4.4%、4.6%、4.5%、4.5%。将PEG溶液换成(NH)SO溶液,作为氮源,用波长1064 nm激光器制备传感器。探究氮掺杂对性能的影响,在100 ppm、200 ppm、300 ppm、400 ppm NO气体浓度下,灵敏度为5.5%、6.3%、6.7%、7.9%;在100 ppm NO浓度循环测试中,灵敏度是5.6%、5.6%、5.7%。在大气环境下,用波长10640 nm的CO激光器直写Kevlar,制备成可穿戴气敏传感器。在120 ppm、180 ppm、240 ppm NO气体浓度下,灵敏度为1.30%、1.63%、2.02%;在180 ppm NO浓度循环测试中,灵敏度是1.60%、1.61%、1.61%。将Kevlar在(NH)SO溶液中浸湿,然后干燥,用CO激光器诱导制备传感器。探究氮掺杂对性能的影响,在120 ppm、180 ppm、240 ppm NO气体浓度下,灵敏度为1.77%、2.15%、2.56%;在180 ppm NO浓度循环测试中,灵敏度是2.10%、2.20%、2.16%。本文研究的制备方法是快速可微加工的激光工艺,有创新的液相加工和参杂途径,在加工微型器件和提高性能方面有很大前景。

关键词： 水导激光   耦合装置   计算流体动力学   稳定射流  

摘要： 微射流水导激光加工技术,简称水导激光,是一种采用微水射流引导激光到基材表面的精密加工技术,这种激光与射流“同轴”的加工方式,不仅继承了常规激光加工高速度、高精度、加工零件无磨损的优势,也补足了常规激光加工具有极大的热影响区、加工表面存在锥度、毛刺等缺点,有效提升了加工零件表面质量,为难加工材料的精密制造提供了有效的解决方案。生成稳定且具有足够距离的水射流是水导激光加工的前提条件,本文在目前国内外相关研究的基础上,对水导激光的水射流稳定生成关键技术进行理论、数值模拟研究,以水导激光耦合装置射流的稳定性数值模拟分析作为指导,研制出一套能够满足水导激光高速稳定水射流要求的设计方案,并进行初步试验分析,论文主要研究内容如下:(1)为形成满足水导激光加工的缩流型水射流,对微水射流的生成、破碎机理及不同喷孔结构下射流的生成特点进行分析,探究水射流稳定性影响因素,为水导激光的射流稳定性研究提供理论基础。(2)水导激光耦合装置是稳定水射流的直接生成装置,其水腔内部结构合理性及内部流场稳定性是影响稳定射流生成的重要因素。为解决耦合水腔内部流场不稳定和耦合装置维护困难的问题,优化水导激光耦合水腔结构,并通过CFD仿真验证水腔内部流场的稳定性。此外,通过分析水腔内部流场及水腔出口处速度场,对耦合水腔内部结构参数(薄水层厚度、水腔直径、过流间隙宽度)进行数值模拟仿真分析,确定最终结构参数。(3)通过流体动力学仿真软件对耦合装置形成的高速水射流的截面形状和表面形态进行分析,并探究不同水腔入口压力、喷孔直径及喷孔边缘倒角角度对射流稳定长度及直径的影响规律,为不同入口压力及喷孔结构下水导激光加工距离和加工范围提供一定的指导性作用。(4)搭建水导激光耦合装置射流稳定性试验平台,通过分析耦合装置实际生成水射流的状态,验证耦合装置的可靠性,并通过光波导追迹法对生成射流的稳定距离进行测量,对数值模拟结果进行初步验证。