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研究生:游明仁
研究生(外文):Ming-Ren You
論文名稱:放電電漿輔助雷射表面處理之研究
論文名稱(外文):Study of discharge plasma assisted the laser surface treatment
指導教授:郭佳儱郭佳儱引用關係
指導教授(外文):Chia-Lung Kuo
口試委員:何昭慶張元震
口試委員(外文):Chao-Ching HoYuan-Jen Chang
口試日期:2017-04-21
學位類別:碩士
校院名稱:國立雲林科技大學
系所名稱:機械工程系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2017
畢業學年度:105
語文別:中文
論文頁數:211
中文關鍵詞:雷射電漿輔助表面處理
外文關鍵詞:laserplasma assistsurface treatment
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眾多表面處理製程中,雷射優點為強化效果好、熱變形小、能獲得極細的硬化層組織,對環境無污染,但缺點是根據不同吸收率的材料,需使用不同波長的雷射,以達到較高的能量轉換。離子束或電子束則無此隱憂,並可達到跟雷射相同的表面處理效果,但加工環境須為真空,為避免離子或電子與其他氣體分子碰撞,造成能量損失與解離其他元素,避免材料表面有多餘的化合物。
本研究則結合雷射為主,電漿為輔的雙熱源創新機制,在自行設計内外中空電極的噴嘴結構中誘發放電電漿流,並使雷射光通過内外噴嘴中心,將雙熱源同軸地輸送到加工部位,利用放電電漿的額外熱源提高材料溫度,增加材料對雷射吸收率,並且高活性氣體的電漿,使表面與氣體的結合效果更為提升。在此方法中,初歩先建立雙熱源創新的系統設計及裝置的測試,並針對Ti-4Al-6V合金進行表面掃描照射,來探討不同参數對材料表面形貎、組織等特性影響的研究。
本研究在前期對鄭諺儒學長設計之機構,將其改良過後的內外電極,進行放電電漿束的溫度與影像量測,流場模擬中得知新式的外電極可以提高流場流速,而對放電電漿束的量測結果,空氣電漿溫度最高提升約10%,氮氣電漿最高提升約28%,影像量測方面,長度提升約8%。
對Ti-4Al-6V鈦合金進行放電電漿輔助雷射表面處理研究結果顯示,與單純只用噴氣輔助雷射相比,利用放電電漿增加材料溫度,提高材料對雷射吸收率的方式,使表面粗糙度Sa降低約18%,使用氮氣電漿輔助的表面成份分析中,依然可檢測到高比例的氧元素,因加工環境為開放式,在加工過程中放電電漿束混入了空氣所導致。材料表面主要為氧化物(TiO、O_3 V_7)居多。硬度值方面,因加工後材料自行冷卻,使材料進行退火,因此材料表面的硬度值比內部低。
關鍵字:雷射、電漿輔助表面處理
In many surface treatment process, the laser has the advantage of small thermal deformation, can get very fine hardened layer structure and non-pollution for the environment, but the disadvantage is based on different absorption rate of materials, need to use different wavelengths of laser to achieve higher the energy conversion. Ion beam or electron beam is no such worries, and can achieve the same surface treatment effect like the laser, but the processing environment to be vacuum, in order to avoid ions or electrons collide with other gas molecules, resulting in energy loss and dissociation of other elements, to avoid the material there are unnecessary compounds on the surface.
In this study, combined with the plasma assisted laser dual heat source innovation mechanism, in the self-designed internal and external hollow electrode nozzle structure induced discharge plasma flow, and the laser through the inner and outer nozzle center, the double heat source coaxial to the processing parts, the use of additional heat of the discharge plasma to improve the material temperature, increase the material on the laser absorption rate, and high activity of the gas plasma, so that the combination of surface and gas effect is more improved. In this method, first step establishes the system design and device test of double heat source, and test the effect of different parameters on the surface shape and microstructure of Ti-4Al-6V alloy.
In the study early-stage for improved YAN-RU JHENG design of institutions, and test plasma flow the temperature and image measurement. In flow field simulation was informed in the new external electrodes can increase flow rate. The result of beam measurement results of plasma test, temperature increase 10% and 28% correspond air and nitrogen plasma, the image measurement of length increase 8%.
The results show that the method can increase the temperature of the material to improve the way of the laser absorption rate of the Ti-4Al-6V titanium alloy by using the discharge plasma. The surface roughness(Sa) reduced by about 18%, the nitrogen plasma assisted laser surface component analysis, still can detect a high proportion of oxygen, because the processing environment is open, during the process the discharge plasma bundles mixed with air resulting in. The surface of the material is mainly oxide (TiO、 O3V7). In hardness, because the material after the natural cooling, so that the material annealing, so the hardness of the surface of the material than the internal low.
Keywords: laser, plasma assisted, surface treatment
目錄
摘要
ABSTRACT
誌謝
目錄
表目錄
圖目錄
第一章 緒論
1.1 研究背景
1.2 研究動機與目的
1.3 文獻回顧
1.3.1 雷射焊接相關文獻
1.3.2 雷射拋光相關文獻
1.3.3 雷射氮化相關文獻
1.3.4 電漿表面處理相關文獻
1.4 專利回顧
1.5 研究方法與架構
1.5.1 研究方法
1.5.2 本文架構
第二章 實驗基礎原理
2.1 雷射加工原理
2.1.1 雷射的發生機制
2.1.2 Nd:YAG雷射的工作原理
2.1.3 Nd:YAG雷射的特性
2.1.4 雷射倍頻技術
2.1.5 雷射Q-Switch技術
2.1.6 雷射模式及光斑直徑
2.1.7 雷射拋光[23]
2.2 雷射光與材料的相互作用
2.2.1 光和物質的交互作用
2.2.2 雷射加工機制與影響加工因子
2.2.3 雷射誘發電漿機制
2.2.4 電漿產生與原子化
2.3 電漿機制與原理
2.3.1 電漿定義
2.3.2 放電電漿原理
2.3.3 電漿分類
2.3.4 大氣電漿
2.3.5 不同條件下電漿的變化
2.3.6 匹配電路
2.4 電漿特性
2.4.1 影像偵測
2.4.2 熱電耦
2.5 表面粗糙度
2.5.1 中心線算術平均高度Ra
2.5.2 表面算術平均高度Sa
第三章 實驗設備、機器與機構
3.1 設備魚骨圖
3.2 機具設備
3.2.1 Sodick AP1L雕模放電加工機
3.2.2 放電電漿電源供應器
3.2.3 LOTIS脈衝倍頻式Nd:YAG雷射系統
3.2.4 EXCETEK CNC線切割機 (V400GL)
3.3 其他設備儀器
3.3.1 壓力吐出器
3.4 量測設備
3.4.1 NOVA ll 雷射光功率計
3.4.2 熱電偶
3.4.3 相機
3.5 後處理與檢測設備
3.5.1 超音波洗淨機
3.5.2 工具顯微鏡
3.5.3 掃描式電子顯微鏡(SEM)
3.5.4 場發射掃描式電子顯微鏡(FE-SEM)與能量散佈光譜儀(EDS)
3.5.5 X光繞射儀(XRD)
3.5.6 白光干涉儀
3.6 雷射光路與鏡組架設
3.7 放電電漿輔助雷射加工設置
3.8 夾置具
3.9 實驗基材
第四章 放電電漿束特性量測實驗
4.1 放電電漿束特性量測
4.1.1 實驗流程
4.1.2 實驗參數與條件設定
4.1.3 實驗機構架設與步驟
4.2 放電電漿束機構改良
4.3 放電電漿功率與進氣壓力關係量測
4.4 放電電漿噴嘴流場模擬
4.5 放電電漿束溫度量測
4.5.1 空氣電漿溫度量測
4.5.2 氮氣電漿溫度量測
4.6 放電電漿束影像量測
4.6.1 實驗流程
4.6.2 二值化影像閥值選定
4.6.3 空氣電漿實驗結果
4.6.4 氮氣電漿實驗結果
4.6.5 影像量測結果平均值
4.7 材料製備
第五章 電漿輔助雷射表面處理實驗
5.1 電漿輔助雷射表面處理流程與規劃
5.1.1 實驗流程
5.1.2 實驗規劃
5.2 單點加工實驗
5.2.1 噴氣(空氣)&放電電漿輔助雷射單點加工結果
5.3 線加工實驗
5.3.1 初次測試
5.3.2 第二次測試
5.4 面加工實驗
5.4.1 初步測試
5.4.2 第二次測試
5.5 EDS 材料表面元素檢測
5.6 XRD材料表面成分檢測
5.7 硬度檢測
第六章 結論未來展望
6.1 實驗結論
6.1.1 放電電漿束溫度與影像量測
6.1.2 點加工實驗
6.1.3 線加工實驗
6.1.4 面加工實驗
6.1.5 EDS材料表面成份檢測
6.1.6 XRD材料表面成分檢測
6.2 未來展望
6.2.1 放電電漿束噴嘴改進
6.2.2 降低加工後材料表面氧元素
6.2.3 電場輔助
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