纳秒脉冲激光加工不锈钢表面

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摘要：通过对316L不锈钢表面进行纳秒脉冲激光处理分析的研究。结果表明：纳秒脉冲激光在316L不锈钢表面形成了微结构，改变了样品表面的形貌。实验中采用纳秒脉冲激光对不锈钢在空气中进行辐照，研究了表面微结构在不同扫描速度、扫描电流和扫描次数下的演化情况。不锈钢的市场前景十分可观，纳秒激光脉冲技术的发展也倍受青睐，将材料与新兴技术相结合，具有很好的研究意义。

关键词：不锈钢；纳秒脉冲

1.纳秒脉冲激光的研究

作为激光加工技术的一个分支，脉冲激光微加工在激光加工领域是非常耀眼的一个明星。其动人之处一是不断涌现峰值功率高、脉宽短的激光源，如具有高质量光束的二极管泵浦Nd：YAG激光器等；二是更精确、快速的数控操作平台的出现，其组成的激光微加工系统，实现了更高精度的精密加工。一般认为激光微加工就是加工尺寸在几个到几百个微米的激光加工工艺系统，所用的激光脉冲的宽度在飞秒（fs）到纳秒（ns）之间，波长在从远红外到X射线的很宽波段范围内。纳秒（ns）脉冲激光属于短脉冲激光的一种方式。相对较窄的脉冲宽度，较小的热效应影响，波长大多较短，聚焦成较小的光斑，重复频率可以达300kHz的脉冲频率，较高的平均功率，都使其具有了较高的加工效率。纳秒脉冲激光加工比可见光或红外激光具有更小的材料表面的热影响和加工损伤，更好的加工效

果；比飞秒脉冲激光加工具有更高的加工效率，更快的速度和更加便宜的价格。可以说脉冲激光是聚质量与效率为一体，集发展与创新于一身的具有广阔前景的应用研究[1]。

2.研究的内容、步骤和结论

本文主要针对纳秒激光对316L不锈钢进行微结构工艺实验研究。首先对在纳秒脉冲激光照射下产生的烧蚀形貌进行全面的观察，再结合激光与不锈钢表面的相互作用机理，研究入射激光功率，扫描速度等因素对微结构加工质量的影响规律，通过改变工艺策略和工艺参数以得到最佳的加工效果。通过激光打线和打孔实验，观察线与孔的形貌特征，分析纳秒脉冲激光打线和打孔的过程，深入研究纳秒激光与不锈钢材料相互作用的规律。最后，在理论分析工艺参数的基础上，设计微结构加工方案，进行微结构的加工实验和检测。使用扫描电镜检测分析加工效果。通过纳秒激光在不用的环境下多次照射在不同的样品上，初步得到不同工艺参数对不锈钢表面纳秒脉冲激光加工工艺的影响的分析。

2.1 纳秒脉冲激光单次线性扫描

实验开始之前对需要对实验仪器进行升温，温度升到21摄氏度时，才可以进行实验。先将一小张白纸放在打标机下，找准光束扫描的大概位置。每次实验前先用用丙酮超声清洗，再用蒸馏水将丙酮冲洗干净，吹干后，将样品固定在此处，准备对其扫描。首先设计了不同功率下，1mm/s的扫描速度进行单次线性扫描的实验。电流分别设置35A、36A、37A、38A和38.5A。 用打标机单向依次扫描5根线，每根线的间隔设置为0.5mm，再把速度依次设置为：3mm/s、5mm/s，10mm/s、30mm/s、50mm/s、100mm/s重复以上实验。在每个速度下，用5组扫描电流依次单向扫描5根线。

2.2 纳秒脉冲激光单次圆点扫描

以上是激光对材料表面的直线扫描，为了更加全面地了解激光对不锈钢表面作用的效果，我们将直线换成圆点。这个步骤是在电脑上对打标机进行操作，实验前的准备工作和前述实验相同，将处理好的样品三放置在打标机下，进行圆点扫描实验。

把激光的扫描速度调整为1mm/s，电流分别设置35A、 36A、 37A、 38A和38.5A。用打标机扫描5个圆点，圆点的半径设置为0.5mm，每个圆点圆心之间的间隔设置为1.5mm，再把速度依次置为：3mm/s、 5mm/s、10mm/s、30mm/s、50mm/s、100mm/s。在不同的扫描速度下，依次5个不用的电流扫描圆点。

2.3 纳秒脉冲激光多次线性扫描

实验二的特殊之处是将扫描速度定为1mm/s时，在5个扫描电流下进行实验，依次对样品表面进行1次扫描、3次扫描、5次扫描、10次和30次扫描。每根线之间的距离设置为0.5mm。

2.4 纳秒脉冲激光多次圆点扫描

多次扫描的实验前的准备工作和实验一是一样的，取第四块样品放在打标机下进行扫描。多次扫描的不同之处是将扫描速度定为1mm/s时，在5个扫描电流下进行5组实验，依次对样品表面进行1次扫描，3次扫描，5次扫描，10次和30次扫描。每个圆点圆心之间的距离设置为1.5mm。

2.5 实验总结

通过对316L不锈钢的实验方案，用纳秒激光对不锈钢表面分别进行单次、多次的线性和圆点扫描，得到结论如下：

（1）通过纳秒脉冲激光对不锈钢的单次线性扫描实验，对其结果进行分析得到纳秒脉冲的扫描速度和扫描电流对加工效果都有影响。其他参数一定时，扫描速度越大，加工的深度越浅，表面脉冲数越少，表面飞溅物越少，加工的线宽越大，但速度大到一定值时，宽度不再增加趋于稳定；其他参数一定时，扫描电流越大，表面飞溅物越多，加工线宽越大。

（2）通过纳秒脉冲激光对不锈钢的多次线性扫描实验，对其结果进行分析得到扫描次数对加工效果有影响。扫描次数越多，加工的线宽，深度都越大，直线度也越好。

（3）通过纳秒激光对不锈钢的单次和多次圆点扫面实验，对其结果进行分析得到脉冲激光作用时，不锈钢表面出现熔化和汽化现象形成凹坑，凹坑的深度随着扫描电流、扫描次数的增加而增加。

综上所述，通过对不锈钢表面进行纳秒脉冲加工的过程，我们发现纳秒激光不同的扫描速度、扫描电流以和扫描次数都会对加工效果产生不同的影响，为了保证加工的精度和加工后效果，需要对参数进行优化组合，选择合适的加工速度、加工电流和加工次数进行加工。通过对实验的分析研究，我们可以发现加工速度应尽可能适中，加工电流应尽可能小，加工次数应尽可能少可以保证激光加工的质量，当然在实际加工中，可以通过需要对加工参数进行调节，以满足实际加工的需要。

参考文献：

[1]刘春阳.纳秒脉冲激光微加工系统的设计与研究[D]天津：天津大学， 2008年.