1 南京航空航天大学材料科学与技术学院，江苏 南京 210016
2 江苏省高性能构件激光增材制造工程研究中心，江苏 南京 210016
激光增材制造稀土改性高强铝合金因具备轻质高强、复杂构件一体化成形等优势，在航空航天领域具有广阔的应用前景。围绕激光增材制造成形工艺优化、冶金缺陷抑制、力学性能提升及复杂构件形性调控等的研究是近年来的研究难点。本团队开展了激光粉末床熔融成形稀土改性高强铝合金Al-4.2Mg-0.4Sc-0.2Zr的激光工艺优化研究，基于试验表征与数值模拟相结合的方法，揭示了激光扫描速度对成形试件表面质量、内部冶金缺陷、熔池传热传质行为及纳米析出相分布的影响机制。结果显示：当激光功率为300 W、激光扫描速度为800 mm/s，并辅以325 ℃/4 h的时效热处理时，成形试件的致密度最优，为99.5%，抗拉强度为512.4 MPa，延伸率为13.3%。基于优化工艺参数对航空领域两类典型的复杂构件开展了成形试验研究，成形试件的最长外形尺寸为570 mm，表面粗糙度Ra≤7.3 μm，尺寸精度可达0.1 mm/100 mm。
激光技术 增材制造 激光粉末床熔融 高强铝合金 工艺调控 力学性能 中国激光
2024, 51(10): 1002317
1 齐鲁工业大学（山东省科学院）机械工程学院，山东 济南 250353
2 齐鲁工业大学（山东省科学院）激光研究所，山东 济南 250353
为解决高强铝合金激光增材制造过程中存在的孔洞缺陷、组织不均、晶粒粗大等难题，在摆动激光熔丝沉积的基础上引入超声能场是可行的抑制措施。搭建了超声辅助摆动激光熔丝增材制造试验平台，探究了超声功率、变幅杆压力、变幅杆输入位置对2319铝合金沉积层形貌和显微组织的影响规律并对超声工艺参数进行了优化。结果表明：变幅杆压力对沉积宏观形貌具有显著影响，随着压力的增大熔池横截面形貌逐渐趋于上宽下窄；超声参数对单道沉积层的晶粒尺寸有着明显影响，随着超声功率的增加晶粒尺寸先减小后增大，当超声功率占比（超声波发生器的输出功率占其最大输出功率的百分比）为40%时晶粒尺寸达到最小值70.9 μm。超声输入位置在熔池之后时晶粒细化效果更好，且在-10 mm处晶粒尺寸同组最低，只有80.9 μm。当变幅杆压力处于40~100 N范围内时晶粒的细化效果比较明显，晶粒尺寸在110~130 μm之间。观察多层沉积结果可知，超声的引入使得多层样品的平均晶粒尺寸降低了66.3%、增加了Al2Cu强化相的含量并且抑制了Al的滑移面生长趋势。超声在熔池中传递所产生的声流效应和空化效应是使沉积层成分均匀、缺陷减少和组织细化的主要原因。
激光技术 摆动激光 超声辅助 2319铝合金 增材制造 显微组织 中国激光
2024, 51(10): 1002315
Author Affiliations
Abstract
1 Institute of Condensed Matter Physics, Inner Mongolia Minzu University, Tongliao 028043, China
2 College of Physics and Electronic Information, Inner Mongolia Minzu University, Tongliao 028043, China
Excitons have significant impacts on the properties of semiconductors. They exhibit significantly different properties when a direct semiconductor turns in to an indirect one by doping. Huybrecht variational method is also found to influence the study of exciton ground state energy and ground state binding energy in AlxGa1?xAs semiconductor spherical quantum dots. The AlxGa1?xAs is considered to be a direct semiconductor at Al concentration below 0.45, and an indirect one at the concentration above 0.45. With regards to the former, the ground state binding energy increases and decreases with Al concentration and eigenfrequency, respectively; however, while the ground state energy increases with Al concentration, it is marginally influenced by eigenfrequency. On the other hand, considering the latter, while the ground state binding energy increases with Al concentration, it decreases with eigenfrequency; nevertheless, the ground state energy increases both with Al concentration and eigenfrequency. Hence, for the better practical performance of the semiconductors, the properties of the excitons are suggested to vary by adjusting Al concentration and eigenfrequency
exciton effects aluminum gallium arsenide crystal direct band gap semiconductor indirect band gap semiconductor Journal of Semiconductors
2024, 45(3): 032701
1 中国商飞上海飞机制造有限公司航空制造技术研究所，上海 201324
2 中国商飞上海飞机制造有限公司计量测试中心，上海 201324
采用脉冲激光器，开展了航空铝合金表面漆层去除试验，通过外观检查、光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、原位温度检测、力学性能检测和高周疲劳试验，研究了激光清洗工艺对航空铝合金组织、力学及疲劳性能的影响规律。结果表明：当激光功率和脉冲频率分别为80 W和100 kHz时，可去除铝合金表面环氧底漆涂层，但试样表面仍有漆层残余。当激光功率和脉冲频率分别达到500 W和500 kHz时，表面温度最高不超过115 ℃，未观察到明显的热影响区，材料表面10 μm深度范围内的组织出现部分烧蚀和熔化现象。激光清洗后，材料的硬度增加，并且随着激光功率、频率、能量密度的增加，硬度增幅逐渐减小。拉伸性能结果显示，激光清洗后的试样抗拉强度、屈服强度和延伸率较空白试样均略微下降。高周疲劳试验结果表明，与空白试样相比，激光清洗后的带漆试样的疲劳性能下降11.76%，这主要是激光清洗造成了表面粗糙度增加。经阳极氧化和喷漆处理后，激光清洗去漆不会进一步增加阳极氧化造成的疲劳损伤。
激光技术 激光清洗 航空铝合金 热影响区 力学性能 疲劳性能 中国激光
2024, 51(16): 1602205
1 大连理工大学高性能精密制造全国重点实验室，辽宁 大连 116024
2 大连理工大学宁波研究院，浙江 宁波 315000
3 中国航空工业集团公司北京航空精密机械研究所，北京 100076
针对6061铝合金难以在化学机械抛光中获得高表面质量的问题，研究了抛光液中氧化剂（H2O2）、缓蚀剂（BTA）的质量分数和pH值对表面粗糙度的影响。基于响应曲面法设计实验，采用方差分析（ANOVA）检验各参数对表面粗糙度影响的显著性，分析参数的交互影响，得出抛光液的最佳组分配比。结果表明，6061铝合金的表面粗糙度随着pH值的增大先增大后减小再增大，随着H2O2和BTA质量分数的增加先减小后增大。在优选的抛光液参数组合（pH值为9.7，H2O2的质量分数为0.57%，BTA的质量分数为1.16%）下，实现最低表面粗糙度Sa 为0.31 nm，获得了近原子尺度的超光滑表面。
光学设计 6061铝合金 化学机械抛光 响应曲面法 表面粗糙度 近原子尺度
1 上海工程技术大学材料与科学工程学院，上海 201620
2 上海市激光先进制造技术协同创新中心，上海 201620
3 上海交通大学材料科学与工程学院，上海 201620
4 深圳市大族锂电智能装备有限公司，广东 深圳 518000
5 湖北亿纬动力有限公司，湖北 荆门 448000
6 阿帕奇（北京）光纤激光技术有限公司上海分公司，上海 201620
选用铝合金顶盖满焊为研究对象，定量分析了芯环功率比对熔深、熔宽的影响规律。结合熔池匙孔动态行为，阐述了可调环模激光有效抑制金属飞溅的机理。同时采用光学相干断层扫描测量技术，实时测量了匙孔深度的波动，定量评价了焊接稳定性，并获得了最佳工艺窗口。结果表明，在150 mm/s的焊接速度下，当芯环功率比为1∶2~1∶3时，匙孔深度最稳定，且飞溅率最低。研究结果为进一步提高铝合金可调环模激光焊接质量提供了理论指导和实验依据。
激光技术 激光焊接 铝合金 可调环模激光 熔深检测 飞溅机理 光学相干断层扫描 中国激光
2024, 51(12): 1202104
为研究无吸收层激光喷丸工艺对铝合金耐腐蚀性能的影响，选用3 mm光斑直径与50%搭接率，分别在1.1 GW/cm2与2.6 GW/cm2的激光功率密度下，采用Nd∶YAG脉冲激光对2024-T351铝合金试样表面进行喷丸处理，结合表面形貌、化学成分、微观组织、物相、残余应力等，探索了不同激光功率密度下试样在质量分数为3.5%的NaCl溶液中的电化学腐蚀行为。结果显示：经过功率密度为1.1 GW/cm2的无吸收层激光喷丸处理后，试样表面形貌与微观组织得到了改善，表面形成了凸起与孔洞交错的多级结构及2~3 μm厚的致密重熔氧化层，深度方向出现晶粒细化现象，在100 μm深度处出现最大残余压应力。此外，相较于未处理试样与2.6 GW/cm2喷丸试样，1.1 GW/cm2喷丸试样的腐蚀电流密度分别降低了97.30%与82.46%，同时腐蚀后试样表面保持着完整的具有多孔特征的微纳结构，展现出最佳的抗腐蚀性能。无吸收层激光喷丸工艺显著提高了2024-T351铝合金表面的耐腐蚀性能。
激光技术 激光喷丸 2024-T351铝合金 电化学腐蚀 表面形貌 中国激光
2024, 51(12): 1202204
1 南通大学机械工程学院，江苏 南通 226019
2 南通国尚精密机械有限公司，江苏 南通 226017
针对铝型材表面缺陷种类多、尺度差异大、小目标容易漏检等问题，提出了KCC-YOLOv5——一种基于YOLOv5s改进的铝型材表面小缺陷检测模型。首先利用IoU（intersection over union）-K-means++算法代替K-means算法聚类锚框，获得最贴合铝型材表面缺陷的锚框，提高小目标锚框的质量；其次，提出全局注意力模块C3C2F，并引入主干层，在减少参数量的同时增强小目标的语义信息和全局感知能力；最后将颈部最近邻插值上采样方式换为轻量级上采样算子CARAFE（content-aware reassembly of features），充分保留上采样特征图的小目标信息。实验结果表明，改进模型KCC-YOLOv5的均值平均精度为94.6%，相比于YOLOv5s提高了2.8个百分点，小目标漆泡和脏点的平均精度分别提高了5.2和12.4个百分点。KCC-YOLOv5模型在保持大目标检测精度小幅度提升的同时显著提升了小目标的检测精度。
机器视觉 铝型材 表面缺陷 KCC-YOLOv5 小目标检测 激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0412002
1 湖南大科激光有限公司，湖南 湘阴414615
2 华中科技大学武汉光电国家研究中心，湖北 武汉 430074
为了满足当前新能源动力电池高速生产线极限制造的需求，基于激光焊接过程中的能量分布特征，系统分析了铝合金激光焊接中光纤激光器的光束质量效应，研究了光束质量与焊接稳定性和焊接效率之间的定量关系。随着激光器光束质量因子（M2）的减小，焊缝熔深为2.7 mm时焊接速度呈增大趋势，焊接熔深的工序能力指数（CPK）值也呈增大趋势；当M2从11.60减小到1.25时，焊缝熔深为2.7 mm时激光器的焊接速度增加了5.5倍，焊接熔深CPK值提升了2.3倍。基于激光能量分布特征的分析结果，激光器光束质量效应的提升机制为：在保持相同熔深的条件下，M2越小，能量密度极大值越大，且焊道边缘与中间区域之间的能量密度极值差越大，工件材料的能量吸收效率会越高，则激光器的焊接效率越高。提出将激光器能量密度极大值和能量密度极值差这两者的乘积作为激光器能量密度焊接效率影响因子，由理论计算可知，M2为1.18时的激光器能量密度焊接效率影响因子比M2为11.6时的增加了5.2倍，与实验结果基本一致。
激光技术 激光焊接 光束质量 能量分布 铝合金 中国激光
2024, 51(12): 1202101
1 苏州大学沙钢钢铁学院，江苏 苏州 215021
2 江苏省新能源汽车用金属结构材料绿色制备与资源再生工程研究中心，江苏 苏州 215021
3 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
4 无锡锐科光纤激光技术有限责任公司，江苏 无锡 214000
发展新能源汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路，是应对气候变化、推动绿色发展的战略举措。近年来，作为新能源汽车制造的重要结构材料，车用铝合金性能的不断提升给后续的焊接加工带来了全新的挑战。与传统弧焊热源相比，激光-电弧复合热源具有诸多优势，为抑制铝合金焊接缺陷并提升焊接接头系数提供了新途径。较为全面地总结了近年来国内外学者在铝合金焊接缺陷（如软化、气孔）等形成及调控方面的研究进展，分析了现有研究工作中存在的问题并给出了激光-电弧复合焊接铝合金未来的研究方向，旨在为后续研究及应用提供参考。
激光技术 激光-电弧复合焊接 铝合金 软化 气孔 力学性能
