1 青岛理工大学山东增材制造工程技术研究中心，山东 青岛 266520
2 西北工业大学分析测试中心，陕西 西安 710072
3 西北工业大学凝固技术国家重点实验室，陕西 西安 710072
4 沈阳航空航天大学机电工程学院，辽宁 沈阳 110136
研究了DD6镍基单晶高温合金在不同功率下重熔区内部杂晶的形成机制。碳化物的形成导致固液界面塌陷，进而诱导杂晶的形成；熔池顶部杂晶的产生主要与温度梯度、固液界面的迁移速率有关。激光功率升高导致温度梯度降低，进而诱导柱状晶向等轴晶转变（CET）；转向枝晶交汇处杂晶的产生是由枝晶交汇处的温度梯度比其他地方小以及温度梯度方向改变引起的。热应力数值模拟结果表明：低激光功率下的热输入可以有效提高温度梯度并有效降低残余应力水平，有利于抑制单晶修复过程中杂晶的形成。该研究可为单晶修复过程中杂晶的抑制提供理论和实验支撑。
镍基单晶高温合金 杂晶 单晶修复 激光重熔 中国激光
2024, 51(10): 1002320
1 青岛理工大学山东增材制造工程技术研究中心，山东 青岛 266520
2 西北工业大学凝固技术国家重点实验室，陕西 西安 710072
3 沈阳航空航天大学机电工程学院，辽宁 沈阳 110136
高频窄脉冲电解加工技术能有效提高加工精度和表面质量，在镍基高温合金等难加工金属材料的精密制造方面有着广泛的应用。然而，对于微观组织极不均匀的激光定向能量沉积构件，其加工质量尚不清晰，尤其是采用无水电解液时。以激光定向能量沉积Inconel 718合金为研究对象，采用频率为30~100 kHz、占空比为30%~80%的高频窄脉冲电流以及饱和NaCl乙二醇电解液进行射流电解加工实验。结果表明：沉积态Inconel 718合金组织由γ基体相、Nb偏析区与枝晶间相（主要为γ/Laves共晶相）组成；在10.50 A/cm2的电流密度下，加工区表面粗糙度随脉冲频率的增加而增大，且脉冲频率为30 kHz时表面粗糙度最小（Ra=1.562 μm），加工精度最高；表面粗糙度随占空比的增加先减小后增大，占空比为50%时表面粗糙度最小，占空比为60%时加工精度最高；而在直流模式下，表面粗糙度随电流密度的增大而降低，且电流密度为10.50 A/cm2时，表面质量最优（Ra=0.526 μm），这是由于高电流密度更容易诱导表面“过饱和盐膜”的形成，从而有效抑制选择性溶解，降低表面粗糙度。但在加工精度方面，高频窄脉冲电流模式的加工定域性较好。最后，基于“盐膜”理论和双电层模型，揭示了高频窄脉冲电流模式下沉积态Inconel 718合金的微区阳极溶解机理，为提高激光增材制造镍基高温合金射流电解加工表面质量提供了理论支撑和实验依据。
激光技术 激光定向能量沉积 Inconel 718镍基高温合金 射流电解加工 表面完整性 加工精度 中国激光
2024, 51(10): 1002318
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033
受自身重力、温度、不同工况下的外部干扰等影响，大望远镜主镜自由状态下位姿会产生巨大变化，导致后端光路不能对准，高分辨率成像质量下降，甚至图像飞出靶面。为消除主镜位姿变化对成像质量带来的影响，本文采用新型高精度电液控制系统对大望远镜主镜位姿进行控制。首先建立望远镜主镜位姿解算模型，分析主镜姿态变化原理；其次采用五个分区的多电机电液控制系统实现主镜姿态主动控制，建立各分区的液压控制系统模型，利用基于望远镜俯仰轴运动时位置误差的多元线性拟合前馈控制（EEFC）及线性自抗扰控制方法（LADRC）进行主镜位姿控制；最后进行测试，结果表明：4 m望远镜俯仰轴匀速运动时，可将主镜Z向平移精度从91.5 μm提升到0.5 μm，偏转角度精度从3 arcsec提升到0.05 arcsec。在1.2 m望远镜俯仰轴变速运动时，可将主镜Z向平移精度从5.04 μm提升至0.2 μm，角度偏移精度从0.65 arcsec提升到0.05 arcsec。在主镜上施加多点力促动器驱力时，主镜Z向位移精度从12.2 μm提升到2 μm内，角度偏移精度从1 arcsec提升到0.03 arcsec。通过测试验证，该控制系统可有效实现主镜光轴稳定，有效保证后端光路的对准与高分辨率自适应成像。
大口径望远镜 主镜位姿控制 多电机，电液系统 large-aperture telescope primary mirror position and orientation control muti-motors electrohydraulic system 光学 精密工程
2023, 31(10): 1487
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Integrated Optoelectronics, College of Electronic Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130012, China
2 CAS Key Laboratory of Quantum Information, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China
3 CAS Center for Excellence in Quantum Information and Quantum Physics, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China
4 Advanced Micro Foundry Pte Ltd., Singapore 117685, Singapore
5 Peng Cheng Laboratory, Shenzhen 518000, China
To optimize the dark current characteristic and detection efficiency of the 1550 nm weak light signal at room temperature, this work proposes a Ge-on-Si avalanche photodiode (APD) in Geiger mode, which could operate at 300 K. This lateral separate absorption charge multiplication APD shows a low breakdown voltage (Vbr) in Geiger mode of and low dark current of 0.096 nA at unity gain voltage (VGain=1 = -7.03 V). Combined with an RF amplifier module and counter, the detection system demonstrates a low dark count rate (DCR) of per second and high detection efficiency of 7.8% for 1550 nm weak coherent pulse detection at 300 K. The APD reported in this work weakens the dependence of the weak optical signal recognition on the low environment temperature and makes single-chip integration of the single-photon level detection system possible.
avalanche photodiode optical detection optical interconnection Chinese Optics Letters
2022, 20(6): 062501
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
为了满足4 m大口径望远镜镜面成像对主镜位置的高精度需求,介绍了采用电机驱动浮动液压支撑方式的主镜位置控制系统设计方法。介绍了主镜位置控制系统的构成并建立了各结构的数学模型;基于线性扩张观测器和一阶动态滑模控制方法,设计了主镜位置控制器;对该控制系统进行了仿真验证。结果显示:在俯仰轴以1 (°)·s -1的速度匀速运动的情况下,每个支撑区域的跟踪误差最大值小于0.5 μm;在俯仰轴正弦引导情况下,跟踪误差最大值为1 μm,明显优于传统的比例积分控制的13 μm跟踪误差,满足4 m望远镜主镜位置控制系统的设计要求。该研究为大口径望远镜主镜位置控制系统设计提供了一定的参考。
测量 大口径望远镜 主镜 位置控制 动态滑模控制 自抗扰控制 光学学报
2020, 40(22): 2212002
1 苏州大学沙钢钢铁学院, 江苏 苏州 215021
2 东北大学 轧制技术及连轧自动化国家重点实验室, 辽宁 沈阳 110819
3 广西大学广西有色金属及特色材料加工重点实验室, 广西 南宁 530004
利用IPG公司YLS-6000型光纤激光器对X100管线钢进行了激光拼焊, 研究了热输入对焊接接头的宏观形貌、显微组织、力学性能及耐腐蚀性能的影响规律。研究结果表明, 随着热输入的减小(150→129→113 J/mm), 焊接接头宽度及焊缝的凹陷量均逐渐减小, 相对比而言热输入为113 J/mm时获得的焊接接头宏观形貌最佳。三种热输入条件下焊接接头各微区的显微组织类型未发生明显变化, 焊缝区和粗晶区组织均为板条马氏体, 细晶区组织以马氏体为主但存在少量的贝氏体, 混晶区组织则为贝氏体和铁素体的混合组织。热输入对焊接接头各微区硬度值的影响不明显, 焊接接头峰值硬度均位于焊缝和粗晶区附近, 为346 HV左右; 细晶区随着远离焊缝中心硬度逐渐下降, 混晶区硬度达到最低值, 为283 HV左右。三种热输入条件下混晶区内均出现软化区, 软化区宽度、硬度降幅均随着热输入的减小而减小。焊接接头的耐腐蚀性规律为: 焊缝最差, 热影响区次之, 母材最佳, 其主要原因在于焊缝区和热影响区组织内部均包含高位错密度的马氏体, 导致其耐腐蚀性恶化。
激光焊接 显微组织 相变规律 耐腐蚀性 laser welding microstructure phase transition law corrosion resistance
1 安徽工业大学冶金工程学院, 安徽 马鞍山 243002
2 苏州大学沙钢钢铁学院, 江苏 苏州 215021
3 广西大学广西有色金属及特色材料加工重点实验室, 广西 南宁 530004
4 苏州大学机电工程学院, 江苏 苏州 215021
通过激光焊接X100管线钢试验, 研究了热输入对焊接接头显微组织和硬度的影响, 并对典型的全熔透样品进行了力学性能分析。研究结果表明, 当热输入达到1.5 kJ·cm-1时, 可获得全熔透焊缝, 熔宽和热影响区的宽度分别达到1.8 mm和1.0 mm。一定范围内的热输入对焊接接头各个微区的显微组织影响不明显, 焊缝区、粗晶区和细晶区的硬度均高于母材的, 混晶区的硬度低于母材的。拉伸断裂的位置出现在母材。激光全熔透焊接接头的冲击功达到母材水平, 热影响区的冲击功达到母材的66%, 均为典型的韧性断裂。
激光技术 激光焊接 微观组织 力学性能 微合金钢 中国激光
2017, 44(12): 1202003
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
根据永磁同步电机驱动的大型望远镜转台对指向精度与低速跟踪精度的要求, 设计了基于摩擦模型的反演滑模控制器。建立了基于摩擦模型与外部扰动的系统模型; 然后, 按照反演设计方法, 设计了离控制输入最远的子系统, 在设计过程中加入滑模控制, 从而减小非线性摩擦因素与外部风载等对指向精度与跟踪精度的影响。通过理论仿真和实验研究验证了该方法的有效性。结果显示: 所设计的反演滑模控制器具有较好的动态响应, 对扰动等不确定性因素具有较强的鲁棒性, 当位置阶跃指令为4.6″时, 稳态误差为0.048 51″, 比传统的PI控制算法减小21.4%; 当输入斜率为5 (″)/s的位置斜坡指令时, 稳态跟踪误差为0.031 26″, 比传统的PI控制算法减小30.1%。结果表明提出的方法能够提高望远镜控制系统的指向精度和低速跟踪精度。
摩擦模型 反演滑模控制 永磁同步电机 大型望远镜 friction model backstepping with sliding mode control Permanent Magnet Sychronous Motor(PMSM) large telescope 光学 精密工程
2017, 25(10): 2620
沈阳航空航天大学航空制造工艺数字化国防重点学科实验室, 辽宁 沈阳 110136
通过ANSYS有限元软件数值模拟和实验相结合，研究了超声波在BT20钛合金修复件和熔池中的传播特性。结果表明，在变幅杆做纵向振动的前提下，当与其耦合的修复件长度小于变幅杆上纵波波长的23%时，修复件表面振动为纵向振动；当修复件长度大于波长的28%时，其表面变为弯曲振动；随着修复件长度的增加，其谐振频率也在纵波波长的23%～28%范围内出现跳跃并重新分布；且在两种不同类型的振动中，随着修复件长度的增加，谐振频率都出现递减的趋势；在熔池中施加频率为19.56 kHz、振幅为0.2 μm的超声振动后，其内部出现周期性交替变化的正负声压，负压值可达到几十万帕。
光学制造 激光沉积修复 数值模拟 超声波 声压 润湿 中国激光
2013, 40(12): 1203009
沈阳航空航天大学 航空制造工艺数字化国防重点学科实验室, 辽宁 沈阳 110136
在激光沉积成形中, 为了保证试件的成形质量, 其关键因素是找出相互匹配的工艺参数。利用多组对比试验, 通过分别改变激光功率、扫描速度、送粉速率和扫描间距来探究工艺参数对沉积表面成形质量的影响规律, 并根据规律总结出工艺参数与粉末熔化率的关系公式, 推算出了一系列相互匹配的工艺参数。
激光沉积成形 工艺参数 成形质量 粉末熔化率 laser metal deposition process parameters prototyping quality powder melting rate
