为了满足金属与聚合物在工业轻量化中的连接需求，采用半导体连续激光器对钛合金TC4和碳纤增强聚合物PBTCF30材料进行激光连接实验研究。通过在钛合金表面进行织构预处理，可使接头在激光连接后获得机械铆接从而提高其强度；将接头剪切强度和预处理时间作为响应，并根据两响应与相关工艺参数之间的关系，利用响应曲面法建立数学模型，分析了织构扫描直径、织构扫描间距、织构扫描次数、激光连接功率和激光连接速度对接头剪切强度及预处理时间的交互式影响，最后通过加速粒子群优化（APSO）算法获得最优解。结果表明，对接头强度影响最大的三个参数组合为：扫描间距-扫描次数、扫描次数-连接速度、连接速度-连接功率。模型验证及优化结果验证表明，所建模型的预测值与实验值吻合较好，模型可靠。
激光技术 表面织构预处理 工艺参数优化 响应曲面法 加速粒子群优化 激光与光电子学进展
2023, 60(21): 2114003
1 苏州大学光电科学与工程学院，江苏 苏州 215006
2 苏州大学苏州纳米科技协同创新中心，江苏 苏州 215006
3 江苏省先进光学制造技术重点实验室，江苏 苏州 215006
4 苏州大学教育部现代光学技术重点实验室，江苏 苏州 215006
5 奥徒（上海）激光技术有限公司，江苏 苏州 215123
通过改变飞秒激光的能量密度和扫描次数，分别采用90°和60°两种激光交叉线扫描方式，在钛合金表面制备了一系列方形和菱形微结构，系统地研究了飞秒激光参数对表面形貌和润湿性的影响。利用 X射线光电子能谱测量分析了激光织构前后的表面化学成分变化。结果表明：表面结构的轮廓形貌更加依赖于激光的能量密度，而扫描次数主要影响结构的特征尺寸。不同的飞秒激光参数下获得的织构钛合金表面表现出不同程度的亲水性提升。较高的激光能量密度和扫描次数有利于增大钛合金表面的粗糙度，同时导致大量的金属氧化物富集，从而促进了液滴的浸润。
激光技术 飞秒激光 表面织构 钛合金 亲水性 中国激光
2023, 50(16): 1602208
1 湖北工业大学机械工程学院, 湖北 武汉 430068
2 上海市激光技术研究所, 上海市激光束精细加工重点实验室, 上海 200233
3 武汉滨湖电子有限责任公司, 湖北 武汉 430068
使用波长为1 030 nm飞秒脉冲激光在M35高速钢表面加工微凹坑阵列, 运用光学显微镜、白光干涉仪和接触角测量仪分别测量样品表面的三维形貌和接触角, 探究不同参数对样品表面形貌和接触角的影响规律。结果表明, 随能量密度和扫描次数增加, 微凹坑的半径和深度均增大, M35高速钢表面接触角减小, 样品表面亲水性增大, 微凹坑间距减小可提高M35高速钢表面的亲液性。试验结果可为高速钢表面润湿性的研究提供参考。
激光加工 表面微织构 M35高速钢 润湿性 laser processing surface texture M35 high-speed steel wettability
为了解决40Cr钢零部件表面磨损问题, 结合表面织构理论, 采用激光相变硬化工艺制备分布规则的不同形状(圆形、条状)软硬耦合表面。通过扫描电镜、X射线衍射、摩擦磨损实验和超景深显微镜分别分析相变区微观组织、物相, 评估表面抗磨损性能、磨损表面形貌。结果表明, 圆形相变区截面硬度高于条状, 平均介于(720±3)HV0.1, 且淬硬层较深; 相变后生成马氏体、Cr7C3、Fe7C3; 对比40Cr钢未处理表面与软硬耦合表面摩擦系数, 软硬耦合表面摩擦系数均低于0.5且波动小, 具备好的摩擦稳定性;磨损表面损伤小, 源于磨损过程硬质相能够阻碍磨屑运动、减少表面损伤, 软相区可以缓存能量和碎屑, 软相区以梨削、粘着损伤为主, 硬相区以小点蚀坑为主, 900W圆形软硬耦合表面减磨耐磨效果最好; 塑韧好、表面规律分布、一定比例(50%)硬质相能够有效提升和改善材料工作表面抗磨损性能, 改善对磨副接触表面, 进而能够稳定摩擦系数。该研究可为改善40Cr零部件表面磨损提供参考。
激光技术 材料 选择性激光相变 表面织构 摩擦性能 laser technique materials selective laser transromation harding surface texture friction property
上海交通大学机械与动力工程学院, 上海 200240
精密金属零件的表面质量会影响产品的性能与外观,为此需要对零件的表面纹理进行测量与评定。常用的接触式测量方法测量效率低,而光学测量方法易受表面高亮反射的影响,为此提出一种基于近场非朗伯光度立体视觉的高亮金属表面纹理重构方法。为了有效描述非朗伯反射,该方法采用基于共位光源的逆向反射模型,用来解耦表面法向量与非线性反射模型。该方法利用邻域信息提高逆向反射模型的鲁棒性,利用最大值融合策略克服阴影影响并渲染生成针对性的仿真数据集,从而提高对金属表面反射的适应性。结果表明,所提方法能够高精度地重构高亮金属表面纹理,测量相对误差小于15%。
测量 表面测量 计算成像 光度学 金属表面纹理 光学学报
2021, 41(11): 1112002
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 上海市激光技术研究所,上海 200223
2 上海市激光束精细加工重点实验室,上海 200233
3 上海激光直接物标溯源工程技术研究中心,上海 200233
4 上海激光智能制造工程技术研究中心,上海 200233
采用皮秒激光在不锈钢表面加工形成了6种不同规则形态的微结构,这些微结构微观形貌呈现微米级类波纹状突起,突起表面分布有一个个纳米级的小微坑。加工区域元素的组成成分基本和基底一样,含量也接近,只有C元素含量有所增加,Fe元素含量有所降低。织构区域的摩擦系数普遍都比无织构区域小,无织构的不锈钢薄板摩擦系数在0.8～0.9之间,而织构过的表面摩擦系数明显降低,在0.1～0.2之间。摩擦系数均呈现出先爬升后稳定的变化,但织构表面相对未织构表面摩擦系数达到稳定状态的时间较短。织构表面摩擦系数在4 000～7 500 s时显著升高,表面微结构的减磨作用贡献结束。织构表面磨斑均比原始表面的磨斑宽,当摩擦方向垂直于织构表面,具有更好的减磨作用。
皮秒激光 表面织构 微结构 摩擦性能 picosecond laser surface texture microstructure friction performance
1 中国科学院宁波材料技术与工程研究所, 浙江 宁波 315201
2 宁波大学机械工程与力学学院, 浙江 宁波 315211
为了探讨激光表面微织构加工技术对氧化铝陶瓷和氮化硅陶瓷凹槽型表面微织构的制备能力, 采用短脉冲皮秒激光器探究平均功率、扫描速度、重复次数等工艺参数对表面织构结构形貌和质量的影响。结果表明: 氧化铝陶瓷在功率8.3 W, 扫描速度800 mm/s, 重复次数10次时, 凹槽呈U型,加工效果较好; 氮化硅陶瓷在功率40.6 W, 扫描速度800 mm/s, 重复次数10次时加工效果较好, 且皮秒激光对氧化铝陶瓷的加工效率高于氮化硅陶瓷。氮化硅陶瓷加工凹槽底部有白色氧化物层产生, 对氮化硅凹槽形貌有较大影响。
激光加工 表面微织构 氧化铝陶瓷 氮化硅陶瓷 制备能力 laser processing micro surface texture alumina ceramics silicon nitride ceramics preparation ability
1 上海市激光技术研究所, 上海 200223
2 上海市激光束精细加工重点实验室, 上海 200233
3 东华大学机械工程学院, 上海 201620
4 上海市激光创意产业专业技术服务平台, 上海200233
5 上海激光直接物标溯源工程技术研究中心, 上海 200233
采用皮秒激光器在301不锈钢薄板上进行表面微结构加工, 研究了不同激光功率(7.4, 24.3, 49.3 W)、加工速度(1 000, 1 500, 2 000, 2 500 mm/s)、重复次数(1, 5, 10, 15, 20, 25次)对表面刻槽宽度和深度以及形貌的影响。结果表明：随着激光功率的增加、加工速度的减小, 沟槽的宽度和深度随之增大, 热影响区增大, 沟槽边缘局部出现微小的熔融颗粒物; 随着加工重复次数的增加, 沟槽的宽度有明显提高, 但是深度却变化不明显, 当重复次数大于20次之后, 深度有了较高增加。同时, 研究了不同间距(10, 15, 20, 40, 100 μm)的条纹微结构对摩擦性能的影响, 结果表明：无织构的不锈钢片摩擦系数在0.8～0.9之间, 而织构过的表面摩擦系数明显的降低, 摩擦系数随着条纹间距的减小而减小, 尤其间距为10 μm的条纹织构使摩擦系数降到了0.1 左右, 效果显著; 且织构表面相对未织构表面摩擦系数达到稳定状态的时间较短。
皮秒激光 表面织构 激光功率 加工速度 重复次数 耐磨性能 picosecond laser surface texture laser power processing speed processing repetitions wear resistance
1 上海交通大学机械与动力工程学院, 上海 200240
2 上海交通大学附属第九人民医院口腔颌面外科, 上海 200011
钛合金具有优良的综合性能, 作为医用金属植入材料广泛应用于临床医学, 而在钛合金植入物表面进行微造型有助于提高钛合金的生物相容性。采用1064 nm波长的皮秒激光在钛合金(Ti-6Al-4V)表面进行微造型实验, 并验证微造型的生物相容性。设计正交实验, 通过扫描电子显微镜、扫描探针显微镜和共聚焦显微镜分析了样件表面形貌, 建立微造型几何尺寸与激光参数的关系, 确立了最优工艺参数, 完成钛合金微造型样件制备。进行了大鼠骨髓间充质干细胞培养和免疫荧光观察细胞骨架实验。实验表明, 微造型对细胞生长起到促进和引导作用。
激光制造 皮秒激光 表面微造型 钛合金植入物 生物相容性
