被誉为“21世纪绿色工程材料”的镁及镁合金已成为继钢铁和铝材料之后的第三大金属工程应用材料, 但较差的硬度、耐磨损性及耐腐蚀性在一定程度上制约了它的广泛应用。采用最大输出功率5 kW的HUST-JKT5170型横流CO2气体激光器对AZ31B镁合金表面进行激光熔凝处理, 同时对熔凝层的正面和背面进行液氮极速冷却, 对该条件下的冷却速度进行计算, 并分别从显微组织、物相、显微硬度和腐蚀性能等方面对比分析了原始镁合金和极速冷却熔凝层。研究结果表明: 激光+液氮的冷却条件下, 熔化层的冷却速度v＝324.9 K/s; 熔化层冷却并凝固后没有裂纹、气孔等缺陷。微观上, 极速冷却的熔凝层的晶粒大小远小于原始镁合金, 且晶界已不明显; 与母材的过渡处微观组织呈现典型的白亮的平面晶形态, 从底部到顶部, 熔凝层的晶粒尺寸逐渐减小; 熔凝层主要由α-Mg相组成, 而β-Mg17Al12相的衍射峰强度相对于原始镁合金极大地弱化。主要受细晶强化作用, 极速冷却的熔凝层的显微硬度提高到140 HV0.05, 是原始镁合金(约50 HV0.05)的2.8倍。在质量分数为3.5%的NaCl(pH＝7)溶液中的电化学腐蚀发现, 该极速冷却条件下获得的熔凝层的腐蚀电流为3.889×10-4 A, 高于原始镁合金的1.470×10-5 A, 且腐蚀电位为-1.483 V, 低于原始镁合金的-1.438 V, 说明该极速冷速条件下熔凝层的耐腐蚀性能略差于原始镁合金。

选用Ni基自熔性合金粉末添加一定量的Al和Ti元素混合粉末, 采用激光燃烧合成技术在双相(α＋β)钛合金TC4合金表面制备了Al8Cr5/NiAlTi复合涂层。借助扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)分析了复合涂层的截面显微组织结构, 运用显微硬度计和空气电阻炉分别测试了涂层截面的显微硬度分布和不同温度下复合涂层的高温抗氧化性能。结果表明, 复合涂层主要由NiAlTi(Ni0.35Al0.30Ti0.35)基体相和Al8Cr5针状增强相组成。涂层截面平均显微硬度值为777 HV0.2, 约为TC4钛合金基材的3.1 倍(250 HV0.2); 复合涂层相对耐氧化性测试结果表明, Al8Cr5/NiAlTi复合涂层在600 ℃和800 ℃下的相对耐氧化性值均明显高于TC4基材试样, 分别约为TC4基材的3.75倍和4.30 倍。

定向凝固组织由于显著减少了垂直于应力轴的横向晶界, 使合金具有优异的高温蠕变及持久性能, 因而在航空发动机涡轮叶片的制造中使用越来越广泛。采用激光金属外延成形(E-LMF)方法, 进行了工艺参数对Rene80镍基高温合金定向凝固组织影响的研究。研究内容包括工艺参数对成形件定向凝固组织类型、枝晶间距和转向枝晶区高度的影响规律以及基材晶体取向对定向凝固枝晶形貌的影响。结果表明, 枝晶一次间距随激光功率的增加而增大, 随扫描速度的增加而减小; 转向枝晶区高度随激光功率的提高而增大, 随扫描速度的提高而减小; 只有基材晶体取向与择优取向相近或一致才能得到外延定向连续生长的凝固组织。

对17-4PH不锈钢进行激光固溶与激光合金化的同步复合强化处理, 通过优化复合强化的工艺参数可以提高材料的综合性能。为此, 利用ANSYS软件建立有限元模型, 对复合强化过程的温度场进行模拟, 分析了激光光斑尺寸、功率以及激光固溶、合金化两个光斑之间的距离对温度场的影响。模拟结果表明: 在扫描速度一定的情况下, 随着固溶光斑与激光功率的增大, 固溶深度增加; 当固溶光斑尺寸为8 mm×10 mm时, 激光的热作用效率最高; 当激光固溶光斑与激光合金化光斑之间的距离大于50 mm时, 固溶光斑对于合金化光斑的热作用几乎没有影响。

选取激光修复中影响温度的关键因素, 使用ANSYS参数化编程语言APDL对镍基高温合金GH4169激光修复过程进行数值模拟。分析了熔覆层和基体结合区温度场分布特性及凝固特性, 通过研究激光功率、扫描速度、搭接率、送粉率对基体上熔池的形貌尺寸及熔池内熔体的凝固过程的影响, 进行工艺优化, 发现熔池深宽比为1:5时对应较好的工艺参数, 搭接率为40%时获得良好的熔池内微观组织。并使用优化了的工艺参数对GH4169基体进行激光修复实验, 金相分析熔池形貌、熔池内微观组织良好, 为实际激光修复提供了一组可行的工艺参数。

采用有限元软件ABAQUS和MSC.Fatigue为平台, 对不同喷丸方式(单面、双面)、不同激光功率密度(5.66, 7.08, 8.49 GW/cm2)、以及不同喷丸路径(3、5、7 排)下, 对TC4钛合金单联中心孔试样激光喷丸过程进行数值模拟研究, 分析不同工艺参数对TC4钛合金残余应力分布以及疲劳寿命的影响。结果表明: 双面激光喷丸的效果远优于单面激光喷丸, 双面喷丸后最大残余压应力值比单面喷丸后增加了29%。同时, 双面激光喷丸后, 上表面最大残余压应力值达-746 MPa, 比下表面最大残余压应力值提高了21%。激光喷丸后试样表面残余压应力随着激光功率密度以及喷丸覆盖率的增大而增大, 最后趋于饱和; 不同喷丸覆盖率对深度方向上残余应力影响不大。模拟结果表明, 激光喷丸强化诱导的残余压应力分布对TC4钛合金单联中心孔试样有较好的延寿作用。

激光温喷丸是一种新型的激光表面强化工艺, 即先将材料预热到一定的温度, 再对材料进行激光喷丸处理。相比于常温激光喷丸, 激光温喷丸产生的热-力效应更有利于提高循环载荷和高温下的残余应力和微观组织性能稳定性。温度和激光功率密度是影响激光温喷丸效果的两个重要因素, 本文以Johnson-Cook模型为本构模型, 用Abaqus有限元分析软件模拟分析了不同温度(250、 260、 270、 290、 310 ℃)和激光功率密度I0(7、 8、 9、 10 GW/cm2)下激光喷丸Inconel 718镍基合金后的残余应力分布, 从而确定了激光温喷丸镍基合金的较优工艺参数组合I0＝9 GW/cm2, T＝260 ℃,此时残余应力存在一极大值-489.06 MPa。在此基础上, 选取I0＝9 GW/cm2进行激光温喷丸(260 ℃)和激光喷丸实验, 用X射线应力测定仪和显微硬度计分别对试样的表面残余应力和显微硬度进行测试, 发现表面残余应力和模拟结果一致性较好, 激光温喷丸后的显微硬度相对于基体提高了60%, 比常温激光喷丸后的显微硬度更有所增大。

采用激光同轴送粉熔覆数学模型模拟了双层熔覆过程中温度场、熔池内流场、熔池的动态演化过程, 凝固过程中CET转变及熔覆层横截面的晶体方向分布。该数值模型耦合了数值传热、激光粉末相互作用、基体和粉末的熔化和凝固、熔池液态金属流场以及凝固过程中晶体的生长等物理过程, 分析了工艺参数(激光功率、激光行走速度)对熔池凝固过程中CET转变趋势的影响, 并将模拟结果与实验结果进行对比。模型采用水平集法(level-set方程)追踪熔覆过程中熔覆层的动态气液表面。研究结果表明, 本模型很好的展示了熔池的动态演化过程, 并准确的预测熔覆层的形貌和横截面晶向的分布, 以及线能量对熔覆层晶向的影响。

将直径为1.5 μm的透明球形微粒(SiO2), 通过自组装的方式在ITO玻璃上形成单层分布, 采用KrF准分子激光(λ＝248 nm)进行单脉冲辐照。激光经过单层微粒在ITO薄膜表面得到增强, 在ITO上制备亚微米量级的孔状结构。通过扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)分析评价辐照后样品表面微结构的质量, 用霍尔效应测试仪和分光光度计测试ITO的导电性和透光性。ITO上的亚微米阵列绒面结构使入射光透过率降低, 陷光作用增强。采用适当的激光能量密度(0.27～0.45 J/cm2)可在ITO上制备微孔结构, 同时不影响ITO薄膜本身优良的电学性能。而当能量密度较大时, 激光在与材料作用时产生的应力和热效应会对薄膜整体结构产生破坏, 孔状结构周围出现裂纹, 电阻率升高。

采用微型脉冲激光对0.2 mm厚的薄片状GH145高温合金进行对接焊, 利用光学显微镜、能谱分析仪、电子精密拉伸机等分析测试方法, 研究了焊接工艺参数对焊缝成形及接头抗拉强度的影响, 并对接头的金相组织与力学性能进行了测试与分析。结果表明, 焊接接头获得最大抗拉强度的最优工艺参数是脉冲功率百分比为17、脉冲宽度为4.0 ms、脉冲频率为2 Hz, 此时焊缝成形良好, 接头的承载能力达到了母材的97%。在其它工艺参数固定不变时, 脉冲宽度增大, 焊缝熔深增大, 接头抗拉强度也随之增大; 脉冲功率百分比过小和过大, 都会使接头的抗拉强度降低; 焊接接头显微组织由焊缝中心区细小的等轴晶和熔合线附近的柱状晶组成。焊缝区的硬度值明显高于母材区。

针对2 mm厚SUS301L不锈钢薄板进行CO2激光-MIG复合焊接实验。研究了保护气体、热源间距、电弧电流、激光功率等工艺参数对焊缝成形及焊接过程的影响规律, 以及复合焊接对装配间隙和错边的适应性。试验结果表明: CO2激光-MIG复合焊接保护气采用He、Ar混合气时可以改善焊接过程稳定性, 当He气比例达到50%即可获得较好效果; 热源间距为2 mm时, 焊接过程波动较小, 所得焊缝成形均匀; 当电弧电流为150 A时, 激光功率为2 000 W时焊缝背面熔宽较1 600 W时小, 在电弧电流超过150 A时, 焊接飞溅严重, 过程稳定性变差。在优化的焊接工艺下, 复合焊接对间隙不大于1.0 mm, 错边不大于1.2 mm的装配误差有良好的适应性, 但是随着装配间隙和错边量的增大, 接头强度逐渐降低, 拉伸试样全部断裂在焊缝中靠近熔合线的粗大柱状晶区, 断裂类型属韧性断裂。

以7 mm厚30CrMnSi钢为研究对象, 进行了光纤激光-GMA复合焊接对接焊缝的工艺试验研究。结果表明, 采用单层焊时易产生裂纹, 采用双层焊且打底层、填充层均采用激光-GMA复合焊接时可获得成形良好的焊缝。打底层焊接时, 光丝间距DLA＝3～4 mm, 装配间隙在0.2～1.2 mm, 能量配比在0.83～1.33, 线能量在3.38×105～4.26×105 J/m可以获得良好成形的焊缝。填充层焊接时能量配比在0.15～0.18, 线能量在4.95×105～9.12×105 J/m可获得成形良好的焊缝。

用波长为1.06 μm的Nd∶YAG激光器对高反射率、高导热的紫铜进行激光焊接,通过激光对紫铜表面进行预处理并合理地设置脉冲激光的脉冲波形, 脉冲电流、频率、焊接速度等工艺参数成功地对紫铜进行了脉冲激光焊接。 结果表明,首先用LWY400型激光焊接设备对两块厚度为1 mm的紫铜进行激光预处理, 产生黑色的CuO黑色薄膜以提高铜对激光的吸收率, 然后将两块厚度为1 mm的紫铜进行对接激光焊,选用快速上升、缓慢下降的脉冲波形,在负离焦1 mm的情况下,可以完全焊透1 mm的紫铜。进一步能谱(EDS)分析表明, 紫铜通过激光预处理后的表面生成了CuO黑色薄膜。因此, 用激光对紫铜进行预处理后, 可以实现紫铜的激光焊接。

基于工业机器人, 总体上采用分层递阶结构, 控制模块间采用I/O口外部电路连接、程序协调的方法, 研制出用于动力电池外壳封装的激光自动化焊接系统。经调试后对具有复杂几何尺寸电池外壳进行焊接试验, 在同一工艺参数下, 采用两种不同的轨迹进行焊接, 对比分析两种焊接轨迹对焊缝成形的影响及经济性。实验结果表明, 基于机器人自动化波浪线焊接的焊缝连续性、一致性较好, 可实现多工位连续焊接, 加工效率是普通工作台的3 倍。设计实现的激光自动化焊接系统为我国动力电池封装提供了参考。

在已有实验的基础上, 利用已得实验数据, 运用逐步回归模型和B.P神经网络模型, 通过MATLAB平台进行理论计算。研究结果表明, 理论计算与实验值具有良好的吻合性, 其相对误差在8%以下, 均方根误差在0.05以内; 模型研究表明氧元素是促进铝合金焊接热裂纹增长的主要元素之一, 镁等元素则抑制热裂纹的形成; 通过采用改进的B.P神经网络模型, 对多元逐步回归模型的预测能力进行了验证, 其数值试验结果表明, 热裂纹敏感系数同各元素含量呈现拟线性的多元函数关系。该逐步回归模型能够对激光焊接铝合金热裂纹的形成进行预测及控制, 为激光焊接裂纹预测和控制的工程化应用提供一种比较可行的方法。

针对激光在硬脆性材料精密加工中存在比较严重的再铸层和不可避免的微裂纹、热变形等影响激光加工表面质量现象, 利用低压水射流辅助激光加工的方法对W6Mo5Cr4V2高速钢进行试验加工, 对比分析了激光加工参数对常规激光加工与低压射流辅助激光加工后的材料表面微观形貌的影响,研究了激光加工参数对常规激光加工与低压射流辅助激光加工热影响区的影响规律。研究结果表明: 这种利用射流束的冲蚀作用的复合加工方法对高速钢加工的表面质量有非常显著的改善作用, 复合加工后的高速钢材料表面无明显的再铸层。同时, 由于射流束的冷却作用, 相对于常规激光加工来讲, 复合加工后的高速钢材料表面热影响区显著减小。

采用3 000 W光纤激光器对5 mm紫铜板进行切割, 分别研究了激光器功率、切割速度、辅助气体压力、离焦量的变化对切割质量(包括切缝宽度、热影响区域宽度、断面粗糙度, 挂渣量等)的影响规律, 并利用正交实验确定影响切割缝宽和断面粗糙度的因素主次关系, 优化出最佳切割参数。实验结果表明, 采用功率2 600 W, 速度1.4 m/min, 氧气压力16 bar, 负离焦4 mm的参数切割5 mm紫铜板可以得到切缝窄、断面光滑、无挂渣的良好切割质量。

激光打孔过程中存在强烈热流耦合, 板材的液化及孔形成规律复杂。以10 mm厚低碳钢板为研究对象, 综合激光发散角、辅助气体对熔融金属去除与氧化作用, 建立了激光打孔数值仿真模型, 并进行实验验证, 发现激光的发散角、金属蒸汽对打孔速度的影响特性。

提出了一种计算大型、具有复杂曲面的汽车覆盖件冲压模具应力的计算方法, 并预测模具的失效部位, 对模具表面进行激光强化处理。所提出的方法解决了在通用有限元软件中模具为变形体所造成的计算应力不准确的问题。首先通过冲压软件DYNAFORM模拟板料的成型过程, 计算得到了板料上每个节点的位移, 然后将该位移作为位移载荷施加于模具之上, 在ABAQUS中计算得到冲压时模具表面所受到的应力。计算得到的应力值超过模具材料许用拉应力所在的区域为模具失效区域, 与模具实际磨损失效的区域位置分布及形状一致。

报道了一台用于工业加工的半导体激光端面泵浦Nd∶YVO4晶体的固体皮秒脉冲激光器。实验采用半导体可饱和吸收体(SESAM)锁模技术, 并首次利用普克尔盒双向加压方式进行腔倒空, 精确控制电光晶体的加压脉宽, 实现了高重频皮秒激光的运转, 得到了重复频率从500 kHz到1 MHz可调的激光输出。当重复频率为1 MHz时, 获得了中心波长为1 064 nm、脉冲宽度10.4 ps、单脉冲能量为297 nJ的激光输出。该皮秒激光系统结构紧凑、稳定性高, 为工业加工及再生放大提供了良好的光源。

提出了一套应用于准分子激光微加工同轴观测的自动跟踪系统。该系统具有一定的抗抖动能力。首先介绍了该系统的硬件组成部分: (1)显微镜的镜片改造。(2)机械控制平台的搭建, 该部分内容介绍了各个硬件的功能以及它们之间的相互关系。然后简单介绍了该系统的跟踪原理, 主要包括部分重点算法的介绍以及控制软件判断流程图。分析了在打开/关闭跟踪功能后, 通道的加工质量差别。分析了打开/关闭跟踪功能后中心位移的偏移量差别, 验证了自动跟踪的抗振动功能。最后, 针对该系统功能进行了实验, 成功实现了对预设曲线(对应于微通道的轨迹曲线)进行刻蚀加工的跟踪功能。

基于4F系统, 利用哈特曼-夏克传感器的检测原理, 提出了一种测量透镜焦距的方法, 给出了实验原理图、计算公式以及实验结果。与传统透镜焦距测量方法相比, 不仅可以很方便地得到较高精度的焦距值(相对误差在0.1%以下), 同时还能得到透镜检测区域成像的波像差分布信息。

目的: 比较高能超脉冲CO2激光和液氮冷冻治疗化脓性肉芽肿的临床疗效。方法: 将入选的60例化脓性肉芽肿患者采用随机分组平行对照的实验方法分为两组, 治疗组用高能超脉冲CO2激光治疗30例, 对照组用液氮冷冻治疗30例, 待结痂脱落后1周判定疗效。结果: 治疗组治愈率为96.67%, 对照组为66.67%, 差异有统计学意义(P＜0.05); 两组不良反应比较, 高能超脉冲CO2激光组不良反应较轻。结论: 高能超脉冲CO2激光治疗化脓性肉芽肿疗效好, 不良反应轻, 是值得推荐的治疗方法。

在钛合金(TC4)表面利用大功率半导体激光器制备镍钛表面改性层, 采用扫描电子显微镜、X射线能谱仪、X射线衍射仪、显微硬度计、摩擦磨损试验机及汽蚀装置分别分析了镍钛表面涂层的组织形貌、相结构与成分、硬度分布、耐磨损性能及抗汽蚀性能。研究结果表明, 采用合适的保护措施和激光处理工艺参数, 可获得与基体具有良好冶金结合的金属间化合物改性层; 激光合金化涂层主要由NiTi2、Al3Ti0.8V0.2组成, 与此同时镍钛合金涂层可将TC4基体的耐磨性提高8 倍, 抗汽蚀性能提高2.7 倍。