王浩強(qiáng) 李永澤 武長(zhǎng)青

摘要：使用調(diào)E半導(dǎo)體激光發(fā)射器，使用“多脈沖單點(diǎn)多次”激光技術(shù)在封裝表面上加工出擁有環(huán)狀陣列布局的微型凹架構(gòu)。在機(jī)械封裝的輔助調(diào)研裝置上，實(shí)行了激光架構(gòu)機(jī)械封裝和通常機(jī)械封裝的樣品的比較性研究，探究了激光架構(gòu)技術(shù)在不相同的封裝載體的壓力和旋轉(zhuǎn)速度等狀況之下對(duì)機(jī)械封裝的潤(rùn)滑性質(zhì)的作用。研究表明：在調(diào)研的可用范圍中，激光架構(gòu)技術(shù)對(duì)優(yōu)化機(jī)械封裝潤(rùn)滑性質(zhì)的作用受封裝載體的壓力的影響最大，旋轉(zhuǎn)速度的影響相對(duì)來(lái)說(shuō)比較小。和無(wú)架構(gòu)機(jī)械封裝來(lái)相比，在比較低的密封載體壓力的環(huán)境下（0.28MPa），激光架構(gòu)機(jī)械封裝能明顯的改善潤(rùn)滑性質(zhì)，旋轉(zhuǎn)距離最多可減少60%，旋轉(zhuǎn)速度對(duì)摩擦扭轉(zhuǎn)速度的作用不大。在比較高的密封載體壓力的環(huán)境下（0.6MPa），旋轉(zhuǎn)速度對(duì)扭轉(zhuǎn)距離的影響會(huì)有相對(duì)大的作用，只有每當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度到達(dá)臨界數(shù)值的時(shí)候，激光架構(gòu)機(jī)械封裝才可以起到優(yōu)化潤(rùn)滑的作用，但是作用很小。

關(guān)鍵詞：機(jī)械封裝；激光表面；介質(zhì)壓力

1.激光表面織構(gòu)技術(shù)

激光架構(gòu)技術(shù)可以明顯的優(yōu)化摩擦表面潤(rùn)滑性和摩擦機(jī)能，提高它的承受力。20世紀(jì)80年代，ktion等人把激光架構(gòu)技術(shù)使用于機(jī)械封裝，提出了激光架構(gòu)機(jī)械封裝，就是在密封表面制造出擁有相對(duì)規(guī)則的布局和特定幾何的微形凹架構(gòu)。封裝表面上的微型凹架構(gòu)造成了楔反應(yīng)，在收縮區(qū)產(chǎn)生正值壓力，在舒張區(qū)產(chǎn)生的空氣反應(yīng)讓表面的液體薄膜擁有較強(qiáng)的承受力，從而可以讓動(dòng)態(tài)靜態(tài)環(huán)產(chǎn)生非觸碰式的運(yùn)行。當(dāng)封裝環(huán)表面位于液體潤(rùn)滑或者交互潤(rùn)滑形態(tài)的時(shí)候，凹坑的功能和微動(dòng)能潤(rùn)滑轉(zhuǎn)軸十分接近。當(dāng)封裝環(huán)表面位于邊界潤(rùn)滑形態(tài)時(shí)，凹坑也可以產(chǎn)生存儲(chǔ)潤(rùn)滑載體的功能。調(diào)研結(jié)果表示，激光架構(gòu)技術(shù)可以明顯的優(yōu)化機(jī)械封裝表面的潤(rùn)滑狀態(tài)，提升液態(tài)薄膜的承受力，加長(zhǎng)機(jī)械封裝的壽命。然而，由于封裝腔體中密封載體的壓力而形成靜態(tài)壓力效應(yīng)會(huì)壓制虛化效應(yīng)，從而減弱了液體動(dòng)態(tài)壓力效應(yīng)，當(dāng)封裝載體的壓力增大到相對(duì)界限的時(shí)候，虛化效應(yīng)會(huì)被壓制或著只在部分的微型凹坑上形成，激光架構(gòu)機(jī)械封裝和無(wú)架構(gòu)機(jī)械封裝功能類似。為了提升封裝腔體中的封裝載體壓力，Etsid等人又發(fā)布了使用激光架構(gòu)技術(shù)在封裝環(huán)表面接近高壓側(cè)面加工有環(huán)形布局的凹坑架構(gòu)，可以顯著提升封裝表面的靜態(tài)壓力。其封裝機(jī)器類似于封裝表面徑向階梯與錐度。調(diào)研表示，激光架構(gòu)機(jī)械封裝的轉(zhuǎn)向距離明顯降低封裝腔體內(nèi)的載體顯著提高，但為了抹除液體動(dòng)態(tài)壓力的影響，機(jī)械封裝的旋轉(zhuǎn)速度被限制在700r/min，這一種類的機(jī)械封裝適用于慢速高壓狀況。之后，符永宏等人針對(duì)激光架構(gòu)機(jī)械封裝實(shí)行了一系列的調(diào)研，調(diào)研成果表明，激光架構(gòu)技術(shù)能明顯提升機(jī)械封裝的封裝機(jī)能。

機(jī)械封裝表面之間的收縮壓是由作用封裝表面上的液體壓力與彈力兩種組成，當(dāng)前針對(duì)激光機(jī)構(gòu)機(jī)械封裝的調(diào)研核心是探究動(dòng)態(tài)靜態(tài)環(huán)之間的液體動(dòng)態(tài)壓力潤(rùn)滑效果和封裝機(jī)能的作用。封裝閉合力通常都是加載在封裝環(huán)上實(shí)現(xiàn)的，沒(méi)考慮到封裝腔體內(nèi)的封裝載體壓力的作用，即沒(méi)考慮液體靜態(tài)壓力作用的影響。所以，為了探究激光架構(gòu)技術(shù)對(duì)機(jī)械封裝潤(rùn)滑性質(zhì)的作用，特別是不相同的密封載體壓力之下機(jī)械封裝潤(rùn)滑性質(zhì)，本文使用“多脈沖單點(diǎn)多次”激光工藝加工激光架構(gòu)機(jī)械封裝，通過(guò)摩擦學(xué)的研究對(duì)架構(gòu)機(jī)械封裝的潤(rùn)滑性質(zhì)作了初步的調(diào)研。

2.試驗(yàn)

試驗(yàn)使用半導(dǎo)體激光系統(tǒng)，激光的使用模式是TEM22，使用共振技術(shù)，收縮了激光舒張角，聚焦性能比較強(qiáng)，發(fā)出的光束質(zhì)量非常高。使用聲調(diào)E技術(shù)產(chǎn)生光能共振，發(fā)出的波長(zhǎng)有512nm和1024nm兩種，調(diào)E重疊的頻率是1一20kHz，光束的質(zhì)量區(qū)間Mz<5，舒張角小于0.004rad。樣品使用內(nèi)徑：l=21.18mm，外徑r=25.6mm的機(jī)械封裝，動(dòng)態(tài)環(huán)的材料為ASD，靜態(tài)環(huán)的原料是石墨。其表面的粗糙程度是0.07納米。使用“多脈沖單點(diǎn)多次”激光工藝在動(dòng)態(tài)環(huán)的表面加工成環(huán)狀排列分布的凹坑。使用WKT1100的二維幾何測(cè)量?jī)x器測(cè)激光架構(gòu)機(jī)械封裝測(cè)量出一個(gè)微凹坑二維與三維幾何的形態(tài)。微形凹坑的半徑長(zhǎng)短由激光功率的密度與脈沖的寬度決定，深度的數(shù)值由激光的脈沖寬度決定。所以可以看出來(lái)，由于激光架構(gòu)技術(shù)是使用熱能瞬間加溫汽化材料從而去除材料，因此在凹坑的周圍會(huì)殘留一些渣。樣品的表面經(jīng)過(guò)了拋光處理，去除激光架構(gòu)形成的熔渣之后凹坑的半徑R大小是30納米，最大的深度h是8 納米，平均面積密度為20 %，在其中凹坑的平均面積密度為凹坑于整個(gè)封裝環(huán)端平面面積的百分比的比例。

2.1試驗(yàn)設(shè)備及方法

機(jī)械封裝試驗(yàn)機(jī)器由調(diào)研臺(tái)架、調(diào)研載體增壓與保壓裝置與降溫系統(tǒng)等構(gòu)成。調(diào)研臺(tái)架包括引導(dǎo)軌道、托板、封裝腔體、軸承套、力量傳感器、軸承、底座、聯(lián)軸、扭矩與傳感器和發(fā)動(dòng)機(jī)等。主軸由發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)調(diào)速器的調(diào)速下達(dá)到了無(wú)級(jí)調(diào)速，轉(zhuǎn)速傳感器是串行聯(lián)接在發(fā)動(dòng)機(jī)與主軸承之間，測(cè)量主軸承旋轉(zhuǎn)速度及不相同的狀況環(huán)境之下的摩擦間距。調(diào)研載體增壓與保壓及循環(huán)裝置由氮?dú)馄?、穩(wěn)壓罐，減壓閥門(mén)、及壓力管道組成。調(diào)研載體冷卻系統(tǒng)由冷卻閥門(mén)和管道構(gòu)成。

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

轉(zhuǎn)速不相同時(shí)，激光架構(gòu)機(jī)械封裝和無(wú)織構(gòu)機(jī)械封裝的密封載體壓力對(duì)轉(zhuǎn)矩的作用也不相同。封裝載體壓力的變化區(qū)間為0.2一0.8MPa。當(dāng)封裝載體壓力達(dá)到0.6MPa時(shí)，無(wú)織構(gòu)機(jī)械封裝和激光架構(gòu)機(jī)械封裝的轉(zhuǎn)矩大致是一樣的。當(dāng)封裝載體壓力為0.8MPa時(shí)，無(wú)織構(gòu)的機(jī)械封裝和激光架構(gòu)機(jī)械封裝的轉(zhuǎn)矩分別是2.38N.M和2.52N？M。轉(zhuǎn)矩隨著封裝載體壓力的改變規(guī)律大致和轉(zhuǎn)速1500r/min的時(shí)候一致。但在整個(gè)封裝載體壓力改變區(qū)間內(nèi)，激光架構(gòu)機(jī)械封裝的轉(zhuǎn)矩始終小于機(jī)械封裝。這是因?yàn)樾D(zhuǎn)速度較大，在激光架構(gòu)機(jī)械封裝表面形成的的液體動(dòng)態(tài)壓潤(rùn)滑反應(yīng)足夠克服由封裝載體壓力所形成的液體靜態(tài)壓力作用的影響。

3.結(jié)論

（1）調(diào)研驗(yàn)證了封裝載體壓力所形成的液體靜態(tài)壓效應(yīng)對(duì)激光架構(gòu)機(jī)械封裝表面液體動(dòng)態(tài)壓的抑制作用。

（2）在相對(duì)較低的封裝載體壓力環(huán)境下，旋轉(zhuǎn)速度對(duì)潤(rùn)滑性質(zhì)的影響很小，激光架構(gòu)機(jī)械封裝可以明顯優(yōu)化潤(rùn)滑性質(zhì)，與無(wú)織構(gòu)機(jī)械封裝相比，轉(zhuǎn)矩最大可縮小60 % 。

（3）在相對(duì)較高的封裝載體壓力環(huán)境下，只有每當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度到臨界值的時(shí)候，激光架構(gòu)機(jī)械封裝才可以起到優(yōu)化潤(rùn)滑的作用，但是作用相對(duì)較小。

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