短脈沖激光損傷阻尼橡膠材料及打孔試驗分析

王呈祥， 張德生， 汪　幸， 劉少軍， 熊　厚

(湖北工業大學機械工程學院， 湖北 武漢 430068)

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短脈沖激光損傷阻尼橡膠材料及打孔試驗分析

王呈祥， 張德生， 汪幸， 劉少軍， 熊厚

(湖北工業大學機械工程學院， 湖北 武漢 430068)

針對脈沖激光與阻尼橡膠材料的相互作用，通過設計單脈沖損傷實驗測出了脈寬為10 ns時的損傷閾值。根據損傷閾值的倍數，改變激光的能量密度進行鉆孔加工實驗，發現能量密度為損傷閾值的5～6倍，對阻尼橡膠材料加工的效果較為理想。結合損傷閾值的計算方法，在不同的脈寬條件下，可以借鑒本文方法選取適當的加工激光能量密度。

激光加工； 激光損傷； 阻尼橡膠； 能量密度； 損傷閾值

阻尼橡膠材料因其優異的性能被廣泛應用于汽車的吸聲裝置、減振裝置等。但受橡膠材料本身的影響[1]，其功能和使用有一定的限制。實際應用時需要對成品橡膠進行二次加工，而打微孔是最常用的加工處理方式[2-3]。

激光加工技術是用高能量密度的激光束直接作用在被加工材料表面，使材料分解，從而去除材料。激光加工具有精度高、成本低、效率高、通用性強等優點[4]，而且具有一定的靈活性，不需要夾具，在現代制造領域應用越來越廣泛，特別適用于阻尼橡膠材料的微加工[5-6]。

1　阻尼橡膠材料損傷閾值的測定

1.1實驗原理

激光的能量密度高于損傷閾值時，能量密度越低，激光對材料的燒蝕直徑D越小。由于脈沖激光的能量成高斯分布，所以燒蝕直徑D可以小于激光光斑直徑。當燒蝕直徑D剛好為零時，此時的激光能量密度就是材料的損傷閾值。

損傷閾值是激光能夠與材料產生作用的最小能量密度，是一個與激光束本身和材料有關的固有參數。光斑中心能量密度與單脈沖能量的關系為[7]

(1)

1.2實驗系統及設備

激光加工的實驗裝置主要由激光器、擴束器、控制系統、觀測系統和工作臺等5大部分組成，實驗裝置如圖1所示。加工過程是通過激光與物體表面相對運動實現的，這種“相對運動”既可以是光束的運動，也可以是工件的運動。本系統采用工件固定、加工光源掃描移動的方式。基于這種工作方式，脈沖激光加工系統應由圖1所示部分組成。

圖 1　激光加工系統結構示意圖

所用的激光是波長為1064 nm的激光，實驗使用Nikon高倍顯微鏡測量激光作用后的孔徑，用BRUKER表面輪廓儀測量燒蝕的深度，用鎢燈絲SEM掃描電鏡觀察燒蝕情況。采用多次測量取平均值的方法，以減小測量結果的誤差。

1.3實驗現象及分析

實驗采用短脈沖激光，配合高速掃瞄振鏡，以及SamLight激光控制軟件，實現單脈沖激光刻蝕。實驗材料是丁腈橡膠。由于脈沖時間為10～250 ns，一個脈沖打點難以精確控制，所以實驗采用劃線的方式打多個點。同時加大掃瞄速度，以保證每個光斑不搭接，即一條線上的每個點互不干涉。橡膠材料的單脈沖加工結果如圖2所示。

圖 2　橡膠材料單脈沖加工結果

從圖2結果可以看出，由于脈寬為10 ns的激光單個脈沖時間極短，熱量累積的效應很小，對橡膠材料打出的孔的周圍并沒有明顯的熱影響區。孔底呈現不規則的凹凸狀，是激光與材料劇烈作用所產生裂解以及燃燒后留下的。通過觀察單個脈沖燒蝕的孔徑，能夠研究出脈沖激光與橡膠材料的燒蝕機理。

激光的能量密度j0指單位面積內的激光束對材料作用的能量。激光的能量密度與光束的單脈沖能量Ep以及光斑直徑D有關。不同激光能量密度下，激光對材料的損傷情況如圖3所示。

(a)φ0=1.14 J/cm2,R=12.65 μm

(a)φ0=2.75 J/cm2,R=20.25 μm

(a)φ0=4.99 J/cm2,R=26.27 μm

(a)φ0=8.19 J/cm2,R=26.35 μm

(a)φ0=11.38 J/cm2,R=27.91 μm

(a)φ0=1.43 J/cm2,R=29.42 μm圖 3　不同激光能量作用下的SEM圖

1.4阻尼橡膠材料的損傷閾值分析

實驗的光斑大小一定，采用不同的激光單脈沖能量Ep對阻尼橡膠進行損傷。實驗取了18組單脈沖能量，每組能量打一條線，每條線上任取5個點，分別測量直徑D，每組結果取平均數與標準差，最大程度減小隨機誤差。測量所得孔徑的結果如圖4所示。

圖 4　孔徑隨單脈沖能量的變化情況

圖 5　單脈沖刻蝕直徑的平方與能量密度的對數

不同能量密度與燒蝕直徑的關系如圖5所示，通過最小二乘法擬合可以得到燒蝕直徑的平方與能量密度的對數(D2-lnj0)滿足線性關系。根據擬合得到的線性方程，推算出橡膠材料在脈寬為10 ns的損傷閾值為0.58 J/cm2。

2　激光能量密度對材料微鉆孔的分析

研究激光對材料作用的損傷閾值jth，可作為后續微加工激光能量選擇的依據。金屬材料在激光微加工時，激光能量密度為其損傷閾值的3～5倍時[8-10]，為較理想的加工效果。因此，本文利用阻尼橡膠材料設計簡單的微鉆孔實驗，找出橡膠材料微加工時較好的能量密度與其損傷閾值的倍數關系。根據實驗得到的損傷閾值0.58 J/cm2，進行激光微鉆孔實驗。實驗保證其他參數不變，只改變激光的能量密度，其大小以損傷閾值的倍數遞增。具體實驗參數：脈沖寬度，13 ns；重復頻率，300 kHz；掃描速度，4425 mm/s；光斑直徑，50 μm；掃描直徑，300 μm；能量密度取損傷閾值的2～7倍，通過觀察加工微孔輪廓的燒蝕情況，來判斷出理想的加工能量密度。不同能量密度下的鉆孔實驗如圖6所示。

(a)2×jth=1.16 J/cm2

(b)3×jth =1.74 J/cm2

(c)4×jth =2.32 J/cm2

(d)5×jth=2.90 J/cm2

(e)6×jth=3.48 J/cm2

(f)7×jth=4.06 J/cm2圖 6　不同能量密度下的鉆孔實驗

激光的能量密度依次用2～7倍的損傷閾值進行微鉆孔實驗。如圖6所示，加工能量密度依次增大。觀察發現，2倍的損傷閾值加工阻尼橡膠材料時，加工出的孔較淺，孔的內壁出現一圈圈的螺紋狀，孔的邊緣由于未完全去除材料而產生凹陷。這是因為當激光光束的能量密度過低時，激光高斯光束的中心能量高邊緣能量低，光束邊緣能量不足以去除材料，導致在激光掃描鉆孔時，孔的內壁出現一圈圈螺紋狀，孔的邊緣材料未完全去除而產生凹陷(圖6a)。3到4倍的損傷閾值加工材料時，加工出的孔的內壁出現明顯的燒蝕，孔的邊緣產生輕微的凹陷。這是因為，為了達到所要求的加工孔徑，低能量加工時增加了循環次數，導致熱量的累積，在孔的內壁產生燒蝕，同時掃描的最外圈，由于高斯光束的邊緣能量不足，導致在加工的孔的邊緣產生輕微的凹陷(圖6b、圖6c)。5到6倍的損傷閾值加工材料時，加工微孔的內壁較光滑，孔的邊緣較平整，整體加工效果比較好。這是因為，激光在這一能量密度下加工阻尼橡膠材料，所產生的剩余熱量以噴濺的形式排出，加工熱效應較小(圖6d、圖6e)。7倍的損傷閾值加工材料時，在孔的內壁出現燒蝕，孔的邊緣產生明顯的凸起。這是因為，當激光光束的能量密度過高時，由于瞬時的熱量不能夠完全排出，導致孔的內壁產生燒蝕，孔的邊緣由于熱效應而產生凸起(圖6f)所示。

3　結束語

本文通過實驗研究，討論分析阻尼橡膠材料的短脈沖激光損傷機理，并精確測量了橡膠材料在短脈沖激光作用下的損傷閾值為0.58 J/cm2，分析其損傷機理。通過鉆孔實驗檢驗損傷閾值的實際應用，找到了短脈沖激光在阻尼橡膠材料上微加工較為理想的能量密度。在不同的脈寬條件下，可以借鑒本文所提供的方法首先計算出相應的損傷閾值，再根據損傷閾值的5～6倍為阻尼橡膠材料激光微加工的能量密度，可以選取相應的加工激光能量密度，為阻尼橡膠材料的其他復雜微加工應用，提供了一個較好的支持。

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[責任編校： 張眾]

An Analysis of Damage of Damping Rubber Material by Short Pulse Laser and Drilling Test

WANG Chengxiang, ZHANG Desheng, WANG Xing, LIU Shaojun, XONG Hou

(SchoolofMechanicalEngineering,HubeiUniversityofTechnology,Wuhan430068,China)

In order to research the interaction of pulsed laser with damping rubber material, the damage threshold was obtained by designing a single pulse damage threshold experiment which revealed that the pulse width is 10ns. An experiment of drilling holes on rubber was carried out according to different energy density of laser. It found that 5 to 6 times of the damage threshold is the relative ideal energy density for laser drilling on rubber. This paper provides a reference on choosing energy density in the condition of laser processing on rubber by different pulse width.

laser processing; laser damage; damping rubber; energy density; damage threshold

2016-04-22

王呈祥(1990-)， 男， 湖北黃岡人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為激光加工

1003-4684(2016)04-0017-04

TG665

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