為探究超快激光對金屬材料的燒蝕特性,利用飛秒脈沖激光加工TC4,研究加工后TC4表面的形貌特點,分析飛秒激光加工金屬的作用機理。當激光能量密度為8.05 J/cm²時,用白光干涉和掃描電鏡觀察不同掃描速度下材料表面的形貌變化。隨著掃描速度的降低,表面條紋變深,條紋上方的二級微納凸起尺寸增大,粗糙度增加,條紋側(cè)面出現(xiàn)經(jīng)典低空間頻率條紋。從高斯光束特點和光斑重疊率角度對各種形貌的形成機理進行分析,高斯光束光斑中心處能量密度高,條紋上方形成凸起,側(cè)面形成經(jīng)典條紋;當光斑重疊率越大,單位面積內(nèi)能量密度就越大,表面微結(jié)構(gòu)尺寸也隨之增大。 

【文章來源】：激光與紅外. 2020,50(09)北大核心

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

高斯光束在空間上的分布

在飛秒激光對金屬進行燒蝕過程中,燒蝕形貌和燒蝕出的周期結(jié)構(gòu)陣列尺寸與激光的光斑重疊率和沉積在材料表面單位距離的脈沖數(shù)有關(guān)。激光的一次脈沖可以在樣品表面形成一個光源,在掃描過程中兩個光斑中間發(fā)生重疊。光斑的重疊率和單位面積內(nèi)的脈沖數(shù)量可以通過掃描速度來改變,如圖2所示。因為光斑極小(50 μm)且脈沖持續(xù)時間為飛秒級別(10-15 s)遠遠小于相鄰脈沖間隔(10-4 s),所以為了方便計算,將光斑近似為正方形,重復頻率的倒數(shù)近似為相鄰兩個脈沖的時間間隔,得到光斑重疊率的計算公式[7]:

圖4為選擇加工的樣品區(qū)域通過白光干涉得到的峰谷值(Peak-to-valley,PV)、均方根(Root Mean Square,RMS)和輪廓算術(shù)平均偏差(Roughness Average,Ra )隨掃描速度增大的變化趨勢圖。從圖中可以看出,隨著掃描速度的增大,PV、RMS、Ra均減小。其中掃描速度從25 mm/s增大到1×103 mm/s時,PV變化較大,RMS和Ra變化較小;掃描速度從1×103 mm/s增大到5×103 mm/s時,樣品的PV、RMS和Ra變化較緩。說明當能量密度恒定時,掃描速度越大,單位時間內(nèi)光斑的重疊率越低,材料表面沉積的激光能量越少,表面粗糙度越小。圖5為加工前后樣品表面的算術(shù)平均高度Sa、根均方高度Sq隨掃描速度變化的關(guān)系圖。從圖中可以看出,隨著掃描速度的增大,Sa、Sq由快速下降變化到緩慢下降,因為隨著掃描速度的增大,光斑重疊率降低,單位面積上的能量減小,激光的燒蝕情況減弱。當掃描速度小于1×103 mm/s時,光斑重疊率大于95 %,Sa和Sq變化較大,說明在能量密度為8.05 J/cm2時,掃描速度變化引起的光斑重疊率對材料影響越來越大;當掃描速度大于1×103 mm/s,光斑重疊率小于95 %,Sa和Sq均變化較小,說明掃描速度變化引起的光斑重疊率對材料影響越來越小。

【參考文獻】：
期刊論文
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博士論文
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碩士論文
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[3]納秒激光誘導鈦合金表面著色機理及其質(zhì)量評價研究[D]. 李云龍.山東大學 2017



本文編號：3016916