1 哈尔滨工业大学微系统与微结构制造教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080
2 哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001
近年来，制造业进入了新的发展时期，对表面抛光技术提出了新的要求，激光抛光技术的快速发展为表面抛光智能化高效化提供了新的途径。激光抛光技术具有无污染、应用广、抛光质量稳定和易实现自动化等优点，是一种极具发展前景的工业抛光技术。但是目前激光抛光技术还不够成熟，仍有一些技术难点亟待解决。从激光抛光机制、激光抛光工艺和激光抛光新技术等方面梳理了近年来激光抛光技术的发展现状，阐述了激光类型、材料特性、工艺参数、抛光机制和抛光质量等多个维度的相互关系，总结了激光抛光技术需要解决的问题，并浅析了激光抛光技术未来的发展趋势。
激光技术 激光抛光 抛光机制 纳秒脉冲激光 表面形貌 粗糙度 中国激光
2023, 50(16): 1602202
1 江苏大学材料科学与工程学院, 江苏 镇江 212013
2 江苏大学智能柔性机械电子研究院, 江苏 镇江 212013
3 江苏大学机械工程学院, 江苏 镇江 212013
为探究激光抛光中引入的波纹的形成原因, 通过纳秒光纤激光对718合金和304不锈钢进行了激光抛光, 考察激光抛光导致的波纹效应。结果表明:激光抛光产生的波纹(尺度为数十微米)与激光脉冲作用间距(10 μm)差别较大; 不同激光能量产生的波纹在幅度上有差别, 波纹的振幅随激光能量的减小而减小; 波纹波长随激光能量的变化不大, 具有一定的稳定性。根据试验结果, 波纹的产生是涉及材料对激光能量的吸收、熔体流动、材料蒸发甚至脉冲时序的复杂过程, 其根源在于激光交替作用于熔体和高温固体而产生的熔体流动差别。激光能量对波纹的影响机理为:激光能量过高时, 由于输入能量部分以熔体气化的方式消耗掉, 熔体厚度增大不明显, 波纹随能量的变化不大; 在产生气化较少的能量范围, 激光能量的降低将导致熔体厚度减小, 产生的波纹幅度减小。
激光抛光 波纹 纳秒脉冲激光 激光功率 波纹波长 laser polishing ripple nanosecond pulse laser laser power ripple wavelength
1 山西大学光电研究所, 量子光学与光量子器件国家重点实验室山西 太原 030006
2 山西大学, 极端光学协同创新中心山西 太原 030006
本文设计并搭建了一套激励光和超声探测器对向共轴共焦的具备亚细胞尺度成像分辨率和毫米级成像深度的光学分辨率光声显微成像（OR-PAM：Optical-resolution photoacoustic microscopy）系统。与基于多纵模脉冲激光激励的光声成像系统相比，使用自制的单纵模纳秒532 nm 脉冲激励光源，将光声探测的信号强度提高了1.35 倍，测得成像系统的轴向分辨率为18 m，横向分辨率为8 m，成像深度为1:54 mm，成像深度-横向空间分辨率比达192.5。利用研制的OR-PAM 系统对嵌有碳纤维丝的仿体样品以及活体小鼠的耳朵进行成像，获得了高分辨率的图像。
单纵模纳秒脉冲激光 光学分辨率 光声显微成像 亚细胞结构尺度 single longitudinal mode nanosecond pulsed laser optical resolution photoacoustic microscopy subcellular structure
1 南京航空航天大学机电学院, 江苏 南京 210016
2 南京市计量监督检测院, 江苏 南京 210049
加工效率低、表面完整性差以及严重的刀具磨损是微细铣削TiAl金属间化合物的主要原因。提出一种激光诱导可控氧化辅助微细铣削的复合加工方法,针对纳秒脉冲激光诱导氧化TiAl金属间化合物开展研究。主要分析了不同激光参数以及辅助气体对材料氧化行为的影响规律,揭示了TiAl材料的氧化机理以及氧化层与过渡层的形成规律与特征,为后续微细铣削加工中的参数选择提供了理论依据和数据支持。研究结果表明:TiAl材料在激光辐照下发生氧化反应并生成了疏松易去除的氧化物,生成的氧化层与过渡层随着激光能量密度的增大而变得越厚;随着激光扫描速度的加快,氧化层厚度逐渐减小,而激光扫描速度对过渡层厚度的影响不显著。此外,在相同的激光参数下,富氧环境对材料的氧化效果最佳。TiAl金属间化合物在优化的激光参数(激光能量密度为8.82 J/cm 2和扫描速度为1 mm/s)和富氧环境氛围下获得的氧化效果较优,生成的氧化层与过渡层厚度分别达到了66 μm与22 μm。
激光光学 纳秒脉冲激光 TiAl金属间化合物 激光诱导氧化 激光参数 中国激光
2021, 48(22): 2202021
大族激光科技产业集团股份有限公司, 广东 深圳 518052
采用MOPA纳秒脉冲激光器对316不锈钢进行焊接, 探索脉宽、频率及焊接速度对焊缝成型的影响, 并对纳秒脉冲激光焊接的模式及机理进行了分析。研究表明, 采用纳秒脉冲激光在高频下焊接316不锈钢可以得到表面光滑、无气孔缺陷的焊缝, 频率是影响焊接的最大因素；当脉宽为30~120 ns时, 熔深随频率增加而增大, 在中心频率处获得最大值, 随后逐渐减小；当脉宽为200~500 ns时, 脉宽随频率(＞100 kHz)增大而减小；由焊缝截面形貌分析可知, 随频率变化存在两种焊接机制, 即热导焊和深熔焊；针对不锈钢薄板材料, 在长脉宽、高频率下以热导模式进行焊接, 可获得良好成形。
纳秒脉冲激光微焊接 316不锈钢 脉宽 频率 熔深/熔宽 焊接模式 nanosecond pulse laser welding 316 stainless steel pulse duration frequency penetration/width welding mode
红外与激光工程
2021, 50(11): 20210036
红外与激光工程
2020, 49(11): 20200065
1 天津大学 材料科学与工程学院, 天津市材料复合与功能化重点实验室, 天津 300350
2 天津中医院大学第一附属医院, 天津 300193
3 河北工业大学 机械工程学院, 天津 300130
为实现黑色纳米TiO2有效负载, 提高实际应用能力, 本研究提出了脉冲激光溅射喷涂的方法。在石英玻璃基底上一步制备了非晶分子筛和金红石型TiO2纳米晶的黑色复合涂层, 表征了复合涂层表面形貌, 测定了复合涂层粉末的光谱吸收性能、物相结构、化学价态以及光催化性能。研究结果表明: 涂层为2~5 μm球体堆积成的多孔结构, 在整个可见光区具有较强的吸收能力。脉冲激光溅射喷涂过程中, 分子筛高温熔融急冷转变为非晶态结构, TiO2则由锐钛矿型转变为金红石型; 其中Ti4+离子部分被还原为Ti3+离子, 缩小了禁带宽度。脉冲激光溅射喷涂技术实现了黑色纳米TiO2快速负载, 且在全光谱和可见光条件下仍表现出良好的光催化能力。
nanosecond pulsed laser sputtering spraying black TiO2 nanomaterial load. 纳秒脉冲激光 溅射喷涂 黑色TiO2 纳米材料负载
1 江苏大学材料科学与工程学院, 江苏 镇江 212013
2 江苏大学机械工程学院, 江苏 镇江 212013
为了考察纳秒激光脉冲宽度对激光加工中熔体体积的影响。基于双温方程, 采用有限元方法, 考虑激光的时空分布, 数值模拟了高斯分布的纳秒脉冲激光辐照1060铝合金表面时, 微坑中熔体体积随脉冲宽度的变化。在低能量密度条件下, 轴向辐照中心下方0~0.4 μm的区域内, 脉冲宽度较小的激光产生的晶格温度高于脉冲宽度较大的激光辐照产生的温度, 而在0.4 μm以下的位置, 脉宽越小, 晶格温度越低；在所考察的脉冲宽度范围内, 中心点处熔体厚度随激光脉冲宽度的升高呈近乎正比增加。结果表明, 在脉冲宽度控制下, 纳秒激光可以控制温度场的空间分布, 而纳秒激光加工中的熔体体积可以通过控制激光脉冲的宽度来控制。这一结论可用于解释C K?rner 等人所提出的纳秒激光加工模型：激光脉冲能量的增大将导致激光与材料作用时间延长从而导致更多的熔体。同时, 将为激光微孔加工中重铸层厚度的研究提供参考。
纳秒脉冲激光 双温模型 有限元方法 温度场 熔体体积 nanosecond pulse laser double temperature model finite element method temperature field melt volume
采用COMSOL Multiphysics建立了纳秒脉冲激光清洗2024铝合金表面丙烯酸聚氨酯漆层的有限元模型,分析了不同参数对激光清洗温度场和清洗深度的影响,并进行了实验验证。结果表明:扫描速度以搭接率的形式影响清洗效率,扫描速度越慢,清洗速率越小,当搭接率为50%时具有合适的清洗效率;随着激光能量密度增加,漆层表面和基体表面的最高温度线性升高,当激光能量密度达到25 J/cm 2时,激光辐照区域的漆层材料完全被去除,铝合金基体的烧蚀深度为50 μm;在激光能量密度为25 J/cm 2,搭接率为50%的实验参数下,基体表面沟槽峰谷高度为50.234 μm,在此参数组合下可以获得良好的符合涂装工艺要求的表面。该结果可为研究纳秒脉冲激光清洗及其工艺参数的选择提供参考。
激光技术 纳秒脉冲激光 激光清洗 2024铝合金 有限元模拟 表面形貌
