1 温州大学机电工程学院，浙江 温州 325035
2 浙江省激光加工机器人重点实验室，浙江 温州 325035
采用激光沉积工艺制备了材料成分呈梯度变化的316L-IN625梯度材料，通过扫描电镜观察、X射线衍射、拉伸测试等分析技术研究了梯度材料不同区域的显微组织形态，以及连接试样、梯度试样的力学性能。结果表明：梯度材料不同区域的显微组织随着316L成分的减少依次呈现为胞状枝晶、柱状晶、粗糙枝晶与近等轴晶；与连接试样相比，316L-IN625梯度试样的屈服强度(σ0.2)升高至289 MPa，但由于高的热应力与脆性析出相的存在，其抗拉强度与延展性均有所降低；脆性析出相随着拉伸应力的增大发生不均匀的塑性变形，导致梯度试样发生脆性解离。IN625合金的固溶强化与析出强化，使得316L-IN625梯度材料的显微硬度沿沉积建造方向逐渐升高。
激光技术 激光沉积 316L-IN625梯度材料 微观组织 力学性能
1 新疆大学 机械工程学院， 乌鲁木齐830047
2 温州大学 机电工程学院， 浙江温州35035
为了减小多晶硅表面入射光的反射率，提高太阳能电池的光电效率，利用紫外纳秒激光器在多晶硅表面制备不同深度、不同间距的微凹坑点阵绒面，研究织构形貌对反射率及光电转换效率的影响。通过激光频率的改变实现微凹坑深度的变化，通过微凹坑排布方式的改变实现微凹坑间距的变化；使用光纤光谱仪测量多晶硅表面反射率并通过激光共聚焦显微镜观察微凹坑形貌；在PC1D软件中建立多晶硅入射光反射模型并模拟不同点阵间距下的多晶硅短路电流和开路电压，计算光电转换效率和填充因子。研究表明，不同频率（300 kHz、200 kHz、150 kHz、50 kHz）和点阵排布方式（300×300、310×310、350×350、400×400）对多晶硅表面的反射率和光电转换效率影响显著，随着频率增大，多晶硅试样反射率先减小后增加最后保持稳定；随着点阵排布密集程度增加，多晶硅试样光电转换效率逐渐提高。实验结果显示当激光频率为150 kHz，点阵分布为400×400时，多晶硅表面微凹坑成型较好，表面平均反射率为3.32%，多晶硅电池的效率为18.80%，相较于未制绒多晶硅电池提高25.9%。
表面织构 脉冲激光 反射率 多晶硅 光生伏特效应 Surface texture Pulsed laser Reflectivity Polysilicon Photovoltaic effect
1 温州大学机电工程学院, 浙江 温州325035
2 浙江省激光加工机器人重点实验室, 浙江 温州 325035
3 成都工具研究所有限公司, 四川 成都 610500
为探究皮秒绿激光修锐青铜基金刚石砂轮的工艺规律与机制,实现青铜基体的选择性定量去除。首先采用10 ps绿激光作用于青铜/金刚石,利用S-on-1损伤测定法标定损伤阈值,确定皮秒激光修锐青铜/金刚石砂轮的最佳工艺参数范围。然后对青铜/金刚石砂轮表面进行修锐,通过激光共聚焦显微镜及其软件表征修锐表面形貌与表面粗糙度,探究激光峰值功率密度、重复频率、扫描次数对修锐效果的影响规律。结果表明,皮秒绿激光对青铜基体的去除机制主要为气化去除,很大程度上避免了金刚石磨粒的碳化,即使在高重复频率下,也无明显的热积累特征。在脉宽为10 ps、重复频率为400 kHz条件下,青铜基体与金刚石磨粒的损伤阈值分别为1.23×10 9 W/cm 2、3.71×10 11 W/cm 2,两者相差两个数量级,青铜基体的选择性微量去除选择范围较宽,可通过调节峰值功率密度有选择性地去除基体,通过调节扫描次数定量去除基体。因此,采用皮秒绿激光可以选择性定量去除青铜基体且较好地保证金刚石磨粒的完整性。
激光加工 皮秒激光 青铜基金刚石砂轮 激光修锐 损伤阈值
1 温州大学机电工程学院, 浙江 温州 325035
2 浙江省激光加工机器人重点实验室, 浙江 温州 325035
3 浙江长城换向器有限公司, 浙江 温州 325200
为提高铜/钢转换接头搭接焊的强度与冶金相容性,提出了异种金属微织构激光焊接法。首先利用超快绿激光在钢基体表面制备微织构,以提高焊接时钢侧界面的浸润性与咬合强度,然后利用脉冲绿激光在微织构表面进行铜/钢熔化搭接焊,最后研究了微织构的形貌、接头组织、结合界面及拉伸性能与断裂机制。结果表明:在较高的激光功率与刻蚀次数下,热烧蚀程度加重,易导致凹槽内部质量恶化;表面织构化对接头组织与抗拉强度具有显著影响,表面织构化可以强化对流传质,增强铜向熔池底部(钢侧)的扩散,有利于形成含铜量更高的α-Fe、γ-Fe固溶体,使得熔池底部的显微硬度更高;当凹槽深度为89.91 μm时,织构化接头的抗拉强度最高,为112.5 MPa,相比未织构化接头提高了19.5%;接头的断裂机制为韧性断裂;接头拉伸性能的提高得益于固溶强化、熔合体积的增大以及涡旋咬合作用。
激光技术 激光加工 激光焊接 铜/钢激光搭接焊 抗拉强度 显微组织
1 温州大学机电工程学院, 浙江 温州 325035
2 温州大学激光与光电智能制造研究院, 浙江 温州 325024
3 中山铟尼镭斯科技有限公司, 广东 中山, 528437
皮秒激光精密加工金刚石等硬脆性材料是当前最佳工程解决方案与技术前沿热点。常规采用脉冲宽度≤20 ps激光光源, 可以实现切割面崩边＜5 μm, 表面粗糙度Ra1.6的切割质量。我们采用脉冲宽度200 ps的低成本皮秒光纤激光器, 对激光功率与切割速度等工艺参数进行优化, 通过外光路整形系统对光束进行整形, 以及聚焦透镜的优化设计等关键技术进行研发, 实现了切缝的最大崩边宽度≤6 μm、表面粗糙度Ra1.6的加工质量, 其加工效率与20 ps激光精密加工工艺一致, 生产成本显著降低, 满足了生产金刚石刀具精密切割需求, 可解决拉丝模、刀具刃口加工的后续抛光问题。
硬脆性材料 人造金刚石 崩边 表面光洁度 hard brittle materials artificial diamond edge breakage surface finish quality
1 温州大学机电工程学院，浙江 温州 325035
2 浙江省激光加工机器人重点实验室，浙江 温州 325035
3 温州大学激光与光电智能制造研究院，浙江 温州 325024
为解决毫/纳秒激光加工微孔质量差的问题，利用515 nm皮秒激光对厚度为0.1 mm的不锈钢进行环切法加工直径100 μm的微孔实验。采用激光共聚焦显微镜对加工后形貌和质量进行观察与表征，研究激光能量密度、扫描速度和离焦量等因素对加工后微孔形貌与质量的影响规律。实验结果表明，能量密度对微孔内壁质量有直接的影响，在保证去除能力前提下，控制能量密度在6.45 J/cm2以下，可有效减小微孔内壁的热影响区。同时实验还发现，适当增加扫描速度能够改善环切加工微孔切口和内壁的质量。在激光能量密度6.45 J/cm2、扫描速度200 mm/s时，孔锥度为2.72°。随着扫描速度的增大，锥度减小，最后稳定在2.29°左右，正离焦加工也能一定程度上减小孔的锥度。此研究结果表明，优化工艺参数能够加工出热影响区小、边缘质量好且锥度小的微孔。
皮秒激光 微孔加工 能量密度 扫描速度 离焦量 picosecond laser microhole processing energy density scanning speed defocusing amount
为了减小多晶硅表面的反射率, 采用皮秒激光在多晶硅片表面制备阵列孔绒面, 分析了激光参数对制绒深度的作用机理, 优选出实验参数：激光功率为15 W, 脉冲频率为25 kHz, 扫描速度为0.9 m/s, 扫描次数为2。利用优选参数验证了制绒孔距对多晶硅片表面反射率的影响, 并通过PC1D软件模拟出不同制绒硅片的开路电压和短路电流。结果表明, 当孔距为30 μm时, 多晶硅表面形成的孔最为紧密, 形貌最好, 其孔密度为1.17×105 counts·cm-2, 表面反射率为6.95%, 多晶硅电池光-电转化效率提升至18.45%。
激光技术 激光制绒 阵列孔 时域有限差分(FDTD) 多晶硅 反射率 中国激光
2018, 45(10): 1002002
1 温州大学机电工程学院, 浙江 温州 325035
2 浙江省激光加工机器人重点实验室, 浙江 温州 325035
针对新能源车用Cu/Al焊接端子的功能特点, 以Ag为中间层开展铜铝激光熔钎搭接焊工艺研究。通过添加不同厚度的银镀层和银箔, 分析接头抗拉强度、电阻率、显微形貌和组织成分变化。结果表明, Ag中间层添加有利于改善焊缝成型和焊接质量, 接头抗拉强度和电阻率均随Ag中间层厚度的增加先减小后增大; 在添加厚度为20 μm银箔时, 抗拉强度提高了近1/3, 电阻率减小至8.6×10－8/Ω·m。这主要与Ag有效抑制铜铝液相熔合、控制二元脆硬相生成有关。在铜侧边界形成“啮齿状”Al-Al2Cu-Ag2Al三元共晶相, 熔化区以枝晶α-Al为主, 界面层化合物种类少、分布均匀, 内部拉应力产生的裂纹减小, 有利于提高接头强度和降低电阻率。
Cu/Al激光熔钎焊 银中间层 抗拉强度 电阻率 显微组织 Cu/Al laser brazing welding Ag middle layer tensile strength resistivity microstructure
1 温州大学激光与光电智能制造研究院, 浙江 温州 325035
2 温州市质量技术监督检测院, 浙江 温州 325027
为探究熔覆涂层表面加载激光冲击波对其应力状态、大小及微观组织的影响, 采用高能量脉冲灯抽运YAG 激光器对NiCrBSi合金涂层进行激光冲击调控, 利用X射线衍射应力分析仪对激光冲击调控前后的合金涂层表面应力状态进行分析, 利用扫描电镜观察涂层微观组织, 探究涂层组织与激光冲击波植入拉应力的关系。结果表明, 激光双点离散冲击后, 冲击区与近冲击区均呈压应力, 最大压应力为-350 MPa。单道单层连续激光冲击后, 熔覆层压应力最大值为-328.74 MPa, 植入压应力最大可达489 MPa。激光冲击前熔覆层未搭接区较搭接区的组织更均匀, 初始晶粒更细小。激光冲击前熔覆层搭接处的最大主应力平均值约130 MPa, 与单道单层相近, 最小主应力表现为压应力均值约-20 MPa, 但激光冲击后搭接处的应力降幅仅250 MPa, 比单道单层小。
激光熔覆 激光冲击 残余应力 laser cladding laser shock NiCrBSi NiCrBSi residual stress
1 温州大学机电工程学院, 浙江 温州325035
2 浙江省激光加工机器人重点实验室, 浙江 温州325035
3 江苏大学机械工程学院, 江苏 镇江212013
针对轧机齿面边界润滑磨损失效、堆焊修复性能低的问题, 在齿轮常用钢(20CrNi2Mo)表面激光熔覆制备自润滑耐磨涂层。研究了自润滑耐磨涂层设计可行性、粉末成分对熔覆层摩擦系数、磨损量的影响。在CFT-1型摩擦磨损试验机对熔覆层、基体及堆焊层进行干摩擦滑动磨损试验, 检测摩擦系数及磨损量。结果表明, 各激光熔覆层磨损量均小于堆焊层, 涂层设计可行; MoS2的加入显著提高了涂层耐磨性, 最小磨损涂层C1磨损量为4.38×10-3mm3, 相对耐磨性分别是基体和A2涂层的17.35倍和1.68倍; 添加润滑相MoS2的C1摩擦系数相对纯铁基的A1涂层提升了66.7%。
激光熔覆 粉末成分 摩擦系数 磨损量
