1 哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001
2 北京动力机械研究所，北京 100074
航天发动机供油装置的喷油流量均匀性是决定其性能质量的关键技术指标，其中供油孔的形状尺寸、内表面状态是喷油流量的重要影响因素。传统的供油孔加工方法以电火花加工为主，存在较厚的重铸层，且加工效率低。而激光制孔为典型的非接触式制孔方法，具有加工效率高、质量好，重铸层少的显著优势。为满足某型号航天发动机供油装置的高效高质量制造要求，采用脉宽为200 fs的超短脉冲飞秒激光螺旋制孔工艺，针对1.5 mm厚的GH3044镍基合金材料开展了以0.39 mm孔径为加工基准的流量数值模拟及工艺试验研究。首先通过数值模拟手段，研究了孔径、圆度、锥度以及内壁粗糙度对供油孔流量的影响规律和控制手段，之后根据模拟所获得的理论结果，通过飞秒激光制孔试验对制孔工艺进行了优化。研究发现，出入口孔径是决定流量大小最重要的因素，在单脉冲能量140 μJ，单层扫描时间1200 ms，单层进给量0.02 mm，重复频率100 kHz，旋转速度2400 r/min的工艺下，将孔径偏差控制在±5 μm以内，最终成功实现了供油孔流量偏差1.8%的制孔效果。
飞秒激光 供油孔 数值模拟 螺旋钻孔 femtosecond laser oil injection hole numerical simulation helical drilling 红外与激光工程
2023, 52(4): 20220454
1 哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室，黑龙江哈尔滨5000
2 北京动力机械研究所，北京100074
飞秒激光平面螺旋钻孔策略在灵活性、精度和工艺效率方面具有许多优势，可满足某型号航天发动机供油喷嘴直通孔的加工精度需求。因此，本研究采用飞秒激光平面螺旋钻孔方式，系统研究了激光功率、单层进给量、单层扫描时间、离焦量以及脉冲重复率之间的作用关系及对钻孔质量的影响。结果表明，离焦量对入口孔径的影响最为明显；对出口孔径和锥度影响较大的参数为功率以及进给量；对加工效率影响最大的参数为功率。根据上述影响规律进行调整，本实验成功在厚度为1.5 mm的GH3044板材上制备出孔径为390 μm的通孔，出口入口孔径误差小于0.6 μm、锥度小于0.5°。通过统计不同参数下微孔内壁粗糙度变化规律并以此对参数进行调整，有效地将孔壁粗糙度降低至Sa 0.6μm，满足工艺要求。孔壁形貌分析表明钻孔质量优良，随激光脉冲重复频率增加，孔壁附近组织逐渐粗化，但均无明显重铸层或热影响区，能够实现高精度微孔的相对“冷加工”。本研究为后续追求高雾化效果的异形孔的制备提供了理论依据。
激光技术 飞秒激光 镍基高温合金 微孔 加工质量 laser technology femtosecond laser nickel base superalloy micro hole processing quality
哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150001
采用激光填丝焊方法焊接了6082铝合金，研究了焊接速度对焊接接头热影响区软化的影响。结果表明，当温度为430~560 ℃时，接头热影响区会发生明显的β″强化相溶解， β″相的数量明显减少，接头的硬度和拉伸强度减小，发生了热影响区的深度软化效应，热影响区的软化区成为接头最薄弱的区域。当激光功率为4250 W，焊接速度为2.7 m·min-1时，接头热影响区的局部深度软化现象得到有效抑制，其平均硬度值大于82 HV，抗拉强度增大至249 MPa，接头的拉伸断裂发生于焊缝。
激光技术 激光填丝焊 Al-Mg-Si合金 焊接速度 接头软化 中国激光
2018, 45(11): 1102007
哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150001
激光熔覆镍基复合涂层在改善H13模具钢表面性能方面具有显著优势。在H13钢表面激光熔覆WC 质量分数分别为20%、33%、50%的WC/Ni60A 复合粉末，在优化工艺参数的基础上研究熔覆层的微观组织。研究发现，激光熔覆WC/Ni60A 复合涂层的相组成复杂。WC 的含量会显著影响熔覆层组织的生成及其形态。WC 质量分数为20%时，熔覆层由大量γ-(Fe, Ni)树枝晶和晶间富W 碳化物组成；WC 质量分数为33%时，熔覆层由大量的团絮状共晶组织组成，其中心为块状M23C6，周围为M23C6和γ-(Fe, Ni)组成的共晶组织，形态非常特殊；WC 质量分数为50%时，熔覆层中生成了大量块状M6C、雪花状M23C6 和针状Cr4Ni15W 组织。WC 质量分数分别为20%、33%、50%时，熔覆层的硬度相对于基体显著提高，分别达到了730、760、810 HV。
激光技术 激光熔覆 WC含量 微观组织
哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150001
针对Ti6Al4V 合金在作为医用植入体中存在耐磨性及生物活性差的问题，采用激光熔覆制备表面羟基磷灰石HA/TC4 复合生物陶瓷涂层。综合利用基体的力学性能和涂层的生物性能，具有显著优势。通过设计复合涂层的成分配比和优化激光加工工艺参数，在Ti6Al4V 合金表面制备了成型良好、无冶金缺陷的单道和多道搭接生物复合涂层。对表面复合涂层的微观组织及性能进行了研究，结果表明涂层中生成了α-Ti、Ti3P、TiO、CaTiO3 和β-Ca3(PO4)2等相。涂层的摩擦系数低于基体，磨痕宽度小于基体，表明复合涂层具有优良的耐磨特性。模拟体液在涂层表面的接触角小于在钛基体表面接触角，表明激光熔覆涂层改善了基体的表面润湿性。
光学制造 钛合金 激光熔覆 涂层 羟基磷灰石 润湿性
1 哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 中国石油天然气管道科学研究院, 河北 廊坊 100084
针对X70 钢管道全位置激光-熔化极活性气体保护(MAG)电弧复合根焊焊接过程中，管道焊接3~6 点位焊缝背面易出现内凹，开展了管道全位置激光-MAG 电弧复合根焊焊缝成形试验研究。试验结果表明，激光-电弧复合焊接能量输入、焊枪角度对焊缝背面内凹影响较大；焊缝背面内凹可能是由于熔池液态金属重力作用导致焊缝熔融金属下淌所致。通过变参数能量输入方法，从3 点位到6 点位逐渐降低激光-电弧复合焊接功率；并向上倾斜焊枪角度使激光和焊缝切线方向成80°时，可利用保护气吹力和电弧力“托住”熔池，有效抑制内凹缺陷，改善焊缝成形。此外，发现焊缝背面有无内凹对静载拉伸性能基本无影响，有内凹管道的抗拉强度可达到596 MPa 以上，但焊缝背面内凹大幅降低了管道疲劳性能。
激光技术 X70钢 激光-MAG 复合焊 全位置焊 内凹
1 哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 哈尔滨焊接研究所, 黑龙江 哈尔滨 150080
针对激光填丝焊过程中的焊丝对入射激光能量的反射、匙孔不稳定、光丝对中精度要求高等问题，以铝合金为材料，对比研究了激光液态填充焊与激光填丝焊的填材熔化与填充特性。结果表明，激光液态填充焊中焊丝依靠电弧的作用熔化，液态金属依托底部固态焊丝的导向流入到熔池中，填充过程连续稳定，降低了焊丝对入射激光能量的反射。相比激光填丝焊，熔化的焊丝端部距离匙孔边缘较远，避免了填材对匙孔的直接冲击，而且熔池尺寸较大有利于气泡逸出，降低了铝合金气孔率，明显提高了高速焊、送丝精度的适应性。
激光技术 激光焊接 液态填充焊 电弧熔丝 铝合金
哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150001
Ti-6Al-4V具有比强度高的优点,在航空航天、石油化工等领域得到了应用。但Ti-6Al-4V耐摩性差,限制了其应用。针对Ti-6Al-4V耐磨性差的问题,采用激光熔覆技术在Ti-6Al-4V基材表面通过旁轴添加与基材同质的Ti-6Al-4V丝材,同轴送入WC颗粒作为强化相的方式制备表面WC颗粒增强钛基复合材料层。研究了激光功率、扫描速度、送丝速度、送粉量等工艺参数对于表面复合材料层的影响。采用SEM、EDS以及XRD对复合材料层的显微组织进行了观察研究,发现复合材料层中主要包括α-Ti、WC、W2C、TiC、W、(W,Ti)C1-x相。
激光熔覆 丝粉同步 WC颗粒 钛合金 微观组织 laser cladding coincident wire-powder feeding WC titanium alloy microstructure
上海交通大学 微纳科学技术研究院 微米/纳米加工技术国家级重点实验室薄膜与微细技术教育部重点实验室，上海 200240
实现GMR生物传感器对磁珠及其偶联的生物分子的定量检测，必须考虑磁场方位及磁珠位置和磁珠团聚对检测方法的影响。本文首先利用Comsol软件模拟了这3个因素对GMR传感器输出信号的影响，模拟结果表明，外磁场倾斜、磁珠位置偏离电阻条中心和磁珠团聚均会使信号减小，其中外磁场倾斜影响尤甚；当外磁场倾斜为0.5°时，磁珠的信号会减小80%。为了与模拟结果进行比对，制备了与模型相同的线宽为5 μm 的GMR生物传感器，并测量了输出信号与磁珠覆盖率的关系。测试结果显示，二者呈线性趋势，但与线性关系存在一定程度的偏离。另外，当磁珠覆盖率为23.6%时，实验测得的信号为63 μV，比模拟结果的247 μV偏小。实验显示这两种偏差均源于前述3个因素对GMR信号的影响。因此，用GMR传感器对磁珠进行定量检测时，为使信号大小与磁珠个数呈线性关系，应保证以下测试条件：外磁场尽可能垂直于传感器平面；测试过程中外磁场倾斜角不能变化；设法使磁珠集中于电阻条中间区域；尽量保证磁珠不团聚。
巨磁阻生物传感器 磁珠 磁场模拟 生物检测 Giant Magnet Resistance(GMR) biosensor magnetic bead simulation of magnetic field biological detection 光学 精密工程
2010, 18(11): 2437
哈尔滨工业大学 现代焊接生产技术国家重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150001
针对铝合金激光熔注(LMI)工艺过程中对激光反射率高、表面存在氧化膜且导热率高等主要问题,开发了激光钨极氩弧(TIG)复合熔注工艺。研究了激光-TIG复合方式,送粉方式,送粉载气流,TIG保护气流,激光功率,TIG电流等工艺参数的影响。研究发现,为实现有效的熔注强化效果,应选择后送粉方式;熔注层深度随TIG电流增加单调增加,随激光功率增加熔注层深度呈先增后降。送粉载气和TIG保护气相互匹配,是影响熔注工艺的关键因素。通过工艺参数匹配和优化,成功制备了WCp/Al表面复合材料层。熔注层厚度为0.5-4.3 mm,深度可根据需要通过合理调节工艺参数来控制。
激光技术 激光熔注 复合 表面 Al合金
