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1前言
普通機械密封是依靠密封端面間的微凸體緊密接觸而將流體密封，因而這種密封在運轉中經常表現為混合摩擦狀態，個別表現為邊界摩擦狀態。由于密封端面直接接觸，摩擦產生的熱量會使密封面溫度升高，密封面間介質汽化，密封環變形，密封面磨損，甚至產生熱沖擊和熱裂等。盡管可以使用昂貴的冷卻和沖洗系統等輔助設施，但對于高速、高溫、低粘度等工況，往往不能從根本上解決題目。
非接觸式動壓型機械密封通常是在密封端面上人為地加工一些規則的流槽，如螺旋槽、圓弧槽、直線槽等。利用流體動壓效應來進步密封的承載能力，減少端面問的磨損，極大地延長密封壽命。與傳統的機械加工相比，激光加工具有適用面廣，工件無機械變形、無污染、速度快、重復性好、自動化程度高等特點。激光加工端面改形及表面處理是機械密封領域中一項日趨成熟的新技術。利用脈沖激光束進行切割、打孔或者熱處理等，大大改良了機械密封的加工精度和密封性能。
2非接觸動壓型機械密封
非接觸式機械密封經過多年的發展，并形成了基于端面改形與表面處理而進步密封綜合性能的發展趨勢。目前，非接觸式機械密封種類很多，主要有各種槽壩型結構的上游泵送機械密封，表面微凹坑結構的非接觸式機械密封等密封。
2.1上游泵送機械密封
“上游泵送”機械密封的概念，zui早是由JSedy受到螺旋槽氣體潤滑密封技術成功應用的啟發而提出來的，他將這一技術應用于流體介質，從而開始形成了液體上游泵送密封技術。當端面外徑開設流體動壓槽的動環旋轉時，動壓槽把外徑側的高壓氣體在粘性剪切力的作用下“泵”進密封端面之間，使由外徑至槽徑處氣膜壓力逐漸增加，而自槽徑至內徑處氣膜壓力逐漸下降。當端面介質壓力增加使所形成的開啟力大于作用在密封環上的閉協力時，迫使在靜止狀態下保持接觸的兩端面分離并處于穩定的非接觸狀態。由于中間高壓介質所形成的氣膜*阻塞了密封介質泄漏通道，從而實現了密封介質的零泄漏或零逸出。上游泵送機械密封的端面形貌結構多種多樣，回納起來主要有多圓葉臺階型、雷列臺階型、類螺旋槽型及組合式復雜槽型等四大類，其中尤以類螺旋槽機械密封的應用zui為普遍，如圖1所示。
圖1雙密封壩中間開槽機械密封
這個概念是由以色列教授Etsionzui先提出來的，1994年他提出了在端面上加工很多孔（凹坑）能夠明顯進步機械密封性能的觀點。1996年又提出了環表面帶有規則微觀凹坑的機械密封，其結構如圖2所示。
當兩環作相對轉動時，由于相對速度，流體粘度，液膜厚度變化等因素，會在凹坑及其四周區域產生流體動壓力，提供了使兩環分離的承載力，使兩環形成非接觸。1996年，他建立了評價這種機械密封的數學模型，通過假定公道的邊界條件，計算出了在不同幾何形貌的凹坑下密封的性能。結果發現：根據密封工作狀況，選擇合適的凹坑大小和凹坑分布率，可以獲得優異的密封性能，并確定了20％為凹坑的*分布率，同時也可以根據介質粘性、密封壓力、凹坑比率等，來確定凹坑的大小。
圖2端面微觀凹坑機械密封
端面改形的機理是流體動壓效應?；诹黧w消息壓潤滑理論，機械密封通過在一個密封環端面加工成一定外形的流體動壓槽，由這些槽產生分離兩密封端面的開啟力來達到非接觸，零泄露。但對于非接觸機械密封也存在著怎樣減小泄漏量，進步流體膜剛度和工作穩定性等題目。同時，為了使加工出的流體槽zui大程度的產生開啟力，要求加工時保證尺寸精度和表面粗糙度，這就給加工帶來了困難。近年來對不同槽型的特性進行了研究，這些槽型都具有外形復雜，結構精細而精度高、粗糙度要求嚴格的特點。由于加工動壓槽的密封環多數是硬質材料，所以加工有相當難度，機械加工方法幾乎無能為力。通過實踐摸索總結了一些方法，在密封端面上開各種槽型主要有光化學腐蝕法、電火花加工、電化學加工法、激光加工法等。
3激光加工技術
自1960年美國科學家梅曼研制出*臺紅寶石激光器，隨著世界科技與經濟發展的需要，激光技術有了迅速發展，尤其近十幾年來的發展更為迅速，從而也極大地促進了激光加工技術的更廣泛應用。激光具有單色性、相干性、方向性和高光強特點。激光束易于傳輸，其時間特性和空間特性可以分別控制，經聚焦后可得到極小的光斑，具有*功率密度的激光光束可以熔化、氣化任何材料，也可進行局部區域的精密快速加工。
經過多年來的研究開發和完善，當代的激光器和激光加工技術與設備已相當成熟，形成系列激光加工工藝。用于材料加工的激光器，主要有二氧化碳激光器、YAG激光器、*和半導體激光泵浦的固體激光器以及飛秒激光器、光纖激光器等。
激光加工主要用于切割、表面處理、焊接、打標和打孔等。激光表面處理包括激光相變硬化、激光熔敷、激光表面合金化和激光表面熔凝等。激光加工技術已在眾多領域得到廣泛應用，隨著激光加工技術、設備、工藝研究的不斷深進，將具有更廣闊的應用遠景。由于加工過程中輸進工件的熱量小，熱影響區和熱變形??；加工效率高，易于實現自動化。波長為1.06μm金屬材料的精密切割、微孔加工、精密焊接等。此外在不需很高功率的半導體制造領域也有廣闊的應用遠景，如打標、微調、掩模修整、刻劃和切割等。高輸出功率的YAG激光器目前在產業領域已得到廣泛應用。通過切割對比實驗發現，用高功率YAG激光器可以實現質量不低于二氧化碳激光器的鋼板切割加工。YAG激光器通過光纖傳輸控制，可以在不銹鋼板上打出高深寬比的微孔。波長為1.06μm的YAG激光器由于波是非、金屬表面的反射率低，故適用于金屬材料的精密切割、微孔加工、精密焊接等。YAG激光器的脈寬和波長可調，其基本波長為1064nm，通過非線性光學元件可以獲得二次諧波（532nm）、三次諧波（355nm）和四次諧波（266nm）。四次諧波的波長與KrF*的波長相近，因此可用于精密的刻蝕加工。此外YAG高倍頻激光器操縱輕易、輸出穩定。激光加工技術有以下很多*的優點。
（1）可以對多種金屬、非金屬加工，特別是可以加工高硬度、高脆性及高熔點的材料。
（2）無需直接作用于工件；生產效率高，加工質量穩定可靠。
（3）加工速度快，并且是局部加工，對非激光照射部位沒有或影響極小。其影響區小，工件變形小。
?。?）激光束易于導向、聚焦實現作各方向變換，極易與數控系統配合，形成智能化控制系統。
4激光加工機械密封的應用
機械密封環所用的材料，一般是以WC為代表的各種硬質合金以及各種新陶瓷，如SiC、SiN等，它們都具有很大的硬度、耐磨性和耐腐蝕性。激光加工是指利用高能量密度激光束對材料表面進行往除材料的一種特殊加工方法。到目前為止，該方法廣泛應用的技術有激光切割、激光打孔、激光打標等。激光加工機械密封環表面微凹坑，實現密封的高性能運行，已有一定程度的研究。由于激光加工是一種瞬時、局部熔化、氣化的熱加工，影響因素很多，因此精微加工時，精度和表面粗糙度不易保證，必須進行反復的實驗，尋找優化的工藝參數及公道輔助工藝措施，才能保證加工質量要求。
對于機械密封端面改形及表面處理，普通加工方法顯得嚴重不足。激光加工無疑是密封環端面形貌改良的*方法。通過研究不同的激光器，不同的激光強度，不同的輔助條件來尋找一種合適的加工設備，國內外在這方面都取得了一定的進步。Muller在1997年利用激光技術加工出了“液體回流式”流體潤滑機械密封的槽型，并采用有限元法分析了端面之間流體的活動，以及通過試驗驗證了這種槽型能產生更大的承載能力。Etsion教授也利用激光技術進行密封表面規則微凹坑的加工，刻出不同幾何外形、大小和孔隙率的微凹坑如圖3所示，并對均勻孔直徑為90μm，不等孔深2～26μm，孔隙率25％的激光紋理環進行了磨損試驗。在國內，天津激光研究所利用激光打標技術在陶瓷密封環上加工出了深度不等的螺旋槽。
流體動壓型密封受到流體動承的啟示，通過在密封端面上開槽、臺階、斜面、孔等主動利用流體動、靜壓特性。在端面上開槽主要是開微米級的槽，深度大約3—5μm，略大于端面問的間隙1μm。利用激光加工而成的非接觸式機械密封，其密封面問的摩擦只有流體之間的內摩擦，并且工作在流體潤滑狀態下，這就大大延長了機械密封的壽命。
圖3具有微觀凹坑的SiC機械密封端面
基于流體動壓潤滑理論的非接觸式機械密封，通過密封環端面改形技術來實現非接觸、零泄露。由于節能、環保的要求，對密封性能要求越來越高。激光加工機械密封端面，實現各種形貌特征，必將是一個趨勢。目前非接觸式研究還不夠成熟，激光加工的密封產品還沒有成為規模，還不是非常普及。怎樣選擇合適的激光加工參數和輔助條件，使加工出的產品造型尺寸，是一個重要的課題。應用激光加工方法，加工出各種外形的端面形貌，使之具有非接觸液體潤滑的能力，具有巨大的實用價值。
在激光加工技術方面還有很多課題需要研究，如降低加工裝置本錢、進步加工效率及加強復雜零件加工的適應性等，特別是在精細加工方面，如何進步光束質量、聚光性以及輸出功率均是重要的研究課題。激光加工作為一種運用計算機、數控等*技術的自動化加工方式，今后隨著科學技術的進步，必將獲得更大的應用和發展。采用激光處理技術可以擴大密封的使用范圍，進步密封的可靠性，節省輔助設備。因此研究機械密封端面的激光加工方法及具有激光加工槽形的機械密封的性能，具有巨大的技術潛力和更大的貿易價值。
