采用等离子喷涂和激光重熔复合工艺在Ti-6Al-4V基体上分别制备了微米和纳米Al2O3-13wt.%TiO2涂层, 通过光学金相显微分析(OM)、扫描电镜分析(SEM)、显微硬度试验等方法研究了激光重熔对涂层的组织及性能的影响。试验结果表明, 激光重熔可消除涂层内部的孔隙和层状缺陷, 获得表面平整、致密的重熔涂层, 且涂层与基体形成了良好的冶金结合。激光重熔后, 微米和纳米Al2O3-13wt.%TiO2涂层的平均硬度值分别由喷涂态涂层的803 HV0.3和846 HV0.3提高至1 111 HV0.3和1 451 HV0.3。

采用脉冲激光重熔Zr55Cu30Al10Ni5块体非晶合金, 研究了脉冲激光频率对激光重熔块体非晶合金晶化行为的影响。实验结果表明, 对于给定的能量密度, 在脉冲频率低于一临界值时, 脉冲频率对晶化几乎没有影响。反之, 晶化程度随脉冲频率的增加迅速增加。采用有限元方法模拟了激光重熔非晶合金的温度场, 发现过高的脉冲激光频率会产生热累积效应, 进而对激光熔池热影响区的晶化行为产生重要影响。其中, 热累积效应的影响分为两种, 第一种是由于脉冲激光频率过高时, 受合金自身热扩散能力所限, 前后两个脉冲激光重熔所引起的熔池局域高温区发生重叠, 进而引起熔池局域过热。这种热累积效应只能靠降低频率来避免。第二种是试样周围的散热条件差, 在激光加工时使得材料整体升温而降低了冷却速度。这种热累积效应可以靠加强材料周围的散热来抑制。

为了研究激光熔覆合金层组织性能在高温热处理条件下的变化规律, 利用YLS-4000连续光纤激光器, 采用同步送粉法在Q235钢表面激光熔覆了Ni60、Ni60＋25%WC 两种合金粉末。然后利用SXL-1030型程控箱式电炉对熔覆了两种粉末涂层的Q235钢进行高温热处理, 600 ℃保温10 h。采用光学显微镜、SEM、XRD等研究了涂层的组织和变化, 利用显微硬度计测试了涂层的显微硬度分布, 高温摩擦磨损仪测试了涂层的耐磨性。研究结果结果表明: Ni60合金层金相组织为较致密的针状晶和树枝晶, 经过高温热处理后, 晶粒长大为较大颗粒状, 而且合金层显微硬度和耐磨性只有小幅下降, 表现出良好的抗高温耐磨性; 而Ni60＋25%WC合金层金相组织包含了WC晶粒, 高温热处理后, WC晶粒分布均匀化, 显微硬度和耐磨性得到一定的提高。

采用红外测温仪实时跟踪测量方法实现了钛合金激光沉积成形熔池温度的测量, 研究了不同激光功率、扫描速度和送粉速度以及不同扫描路径对熔池区域温度和成形宽度、高度的影响规律。结果表明, 随着激光功率和送粉速度的增大, 熔池温度升高, 成形高度、宽度变大; 随着扫描速度的增加, 熔池温度下降, 成形高度、宽度变小; 扫描路径不同会产生不同的温度梯度, 温度梯度的不同会直接影响成形件高度; 并从能量输入角度分析了熔池区域温度和成形宽度、高度的变化原因。为通过实时红外检测熔池温度调控工艺参数和优选扫描路径来提高成形质量提供了指导依据。

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。

基于“光束中空, 粉管居中, 光内送粉”的成形方式, 利用高速CCD对锥形空心回转薄壁件环形激光光内送粉快速成形过程进行实时监测, 研究通过对熔池特征参数的提取, 实现实时控制激光功率的方法。实验表明: 在其他参数不变的情况下, 增大激光功率, 熔宽、熔深均有变大趋势; 成形稳定期, 熔池的面积在0.25～0.70 mm2之间变化, 激光功率维持在1 kW左右, 成形件最大高度达到55 mm。终成形件外表面非常光滑, 整体壁厚均匀, 层间搭接也非常均匀, 无塌陷和错层等现象, 达到了较好的成形效果。

应用 ANSYS FLUENT 12.0 软件的离散相模型, 对研制的新型激光光内送粉、送丝复合喷嘴气固两相流流场进行了三维数值模拟, 分析了保护气入口压力、载气流量等参数对流场的影响。模拟结果表明: 激光光内送粉、送丝熔覆时, 外围保护气对粉束有很好的集束、准直作用。保护气入口压力越大, 粉末的集束效果越明显。而载气流量过大将造成粉末颗粒流在离喷嘴较远处发散角变大。

利用脉宽30 ns的钕玻璃激光器对7050铝合金紧固孔进行激光冲击强化, 采用先强化材料表面, 再钻紧固孔的方式对双联疲劳试件进行强化, 并在飞机中机身随机载荷条件下进行疲劳试验。试验结果表明: 激光冲击强化后的紧固孔的疲劳寿命比未强化紧固孔的疲劳寿命提高1.5 倍, 强化后紧固孔的裂纹均起裂于次表层, 且出现多个疲劳裂纹源。疲劳增益主要得益于激光冲击强化后紧固孔周围为残余压应力分布, 强化表层的较小的冷作硬化程度, 以及超高应变速率塑性应变引起的高密度位错, 激光冲击强化技术可有效提高小尺寸紧固孔的疲劳寿命。

研制开发了轧辊表面激光毛化/强化组合系统, 此系统由IPG 5000光纤激光器、毛化系统、强化系统、加工机床和控制系统组成, 采用了斩光盘、棱镜组合以及振镜技术, 解决了激光强化和激光毛化功能的集成以及无序毛化等难点问题。结果表明: 此系统精度高, 性能稳定、可靠; 适用于直径小于800 mm, 长度小于5 500 mm轧辊或长度小于5 500 mm平面工件的激光毛化和激光强化。

为了研究基于机械喷丸(SP)、热定型工艺的激光冲击处理(LSP) 对气门弹簧性能影响, 利用高功率激光对不同加工工艺制造的气门弹簧内侧进行单点冲击处理, 从残余应力、显微硬度和微观组织等方面分析了激光冲击强化对气门弹簧的影响。结果表明, 弹簧的激光冲击强化与喷丸强化相比, 效果差距不大。对基于喷丸强化的气门弹簧激光冲击处理的强化效果明显, 二次喷丸下的激光冲击处理出现最大残余压应力, 达到-541 MPa, 经二次喷丸+热定型处理的弹簧表面显微硬度最大, 达到668.4 HV。不同制造工艺制造的弹簧激光冲击强化后表面显微硬度的变化规律与冲击前基本一致。弹簧经激光冲击强化后晶粒发生细化, 晶粒尺寸和强化相是提高硬度的主要原因。

开展了激光冲击波调整表面残余应力(主应力)状态的模拟仿真与实验研究。以ABAQUS为平台, 建立了激光冲击5B05铝合金的有限元分析模型, 研究了激光冲击参数对5B05铝合金激光冲击处理残余应力场的影响。模拟结果表明: 随着冲击次数的增加, 表层残余压应力逐渐增大, 当冲击次数为3 次时, 增加并不明显, 说明表面峰值残余压应力趋于饱和; 在冲击压力一定的条件下, 表面残余应力随光斑直径增大而增大, 半径增加至一定程度后表面峰值残余压应力增幅会达到最小, 基本保持不变。通过实验与模拟结果对比发现, 尽管实验值与模拟结果存在一定的误差, 但总体趋势一致, 说明建立有限元模拟模型结构有效可行。

研究了低压水射流辅助激光加工的方法, 利用该复合加工方法对Al2O3陶瓷材料进行刻蚀加工。通过对比分析, 系统研究了脉冲能量、脉冲宽度、重复频率等激光参数对Al2O3陶瓷常规激光刻蚀与低压射流辅助激光刻蚀后的表面微观形貌的影响。研究结果表明: 这种利用了射流束的冲蚀作用的复合加工方法能够减少再铸层和微裂纹的产生, 减少试样表面熔渣的堆积, 复合加工的试样质量稳定性有很大的提高。

激光系统的打标速度、频率、填充间隔、功率等工艺参数直接影响二维码标刻效果。实验基于VIS打标系统, 针对汽车行业铸铁材质发动机的二维码激光直接标刻, 利用二维码读码器对激光标记进行读码率的测量, 通过改变激光加工参数, 研究激光工艺参数对二维码标刻效果的影响。实验表明, 通过对频率、填充间隔和速度三个激光参数进行相互协调, 得出10%左右的光斑重叠率和较小的线间距, 能够得到对比度高的标记, 从而获得高的读码率。

脉冲激光离散划痕过程中, 激光冲击波动态加载及界面破坏在瞬间完成。其所包含的脱粘、裂纹扩展、翘曲、断裂和剥落往往无法分辨。为了准确判断涂层失效的临界点, 提出一种利用应变诊析膜基系统失效临界点的方法。利用双面胶作为粘结剂, 2024铝合金为基体, 304不锈钢箔为涂层构建膜基系统理论模型, 采用PVDF贴片传感器技术研究了脉冲激光作用下不同理论模型涂层表面的动态应变。结果表明: 脉冲激光作用下, 涂层表面的动态应变不断往复变化, 最终趋于平衡, 整个过程在微秒量级的时间内完成。同时, 涂层表面的动态响应与膜基系统界面结合状况有关, 膜基系统结合完好时, 涂层表面的动态响应时间长, 得到的最终应变量小。膜基系统全完脱粘时, 涂层表面的动态响应时间短, 最终应变量大, 膜基系统刚开始脱粘的试样介于两者之间。

利用脉冲激光对含Ni不锈钢防护涂层进行离散划痕, 通过X350A残余应力测试仪对激光离散划痕区残余应力进行测试, 研究离散划痕后涂层表面残余应力状况, 并分析激光冲击应力波对涂层结合强度的影响。结果显示, 在激光加载的中心区域内涂层产生均匀的残余压应力, 但该区域的边缘残余压应力急剧减小, 甚至出现了残余拉应力; 研究还表明, 在激光加载区域涂层的残余压应力值随着激光功率密度的增加而增加, 但当激光功率密度接近阈值时, 涂层的残余压应力因脱黏鼓包开始减小, 当激光功率密度足够大时, 含Ni不锈钢涂层在拉应力作用下于激光加载光斑边缘发生断裂剥离。

为了探索CO2激光对聚酰胺材料的热效应融化机理, 在常温下, 利用低功率CO2激光对聚酰胺PA12进行定位和扫描辐照融化实验, 通过光学显微镜和扫描电镜(SEM)观察形貌特征, 以及X射线衍射仪(XRD)分析微观结构, 研究激光参数和辐照方式对融化特征的影响。实验发现, 在光斑直径2 mm时, 激光功率＜1 W试样融化不明显, 激光功率＞3 W热分解显著, 激光功率密度0.32 W/mm2是试样融化阈值; 激光定位辐照获得固体试样的浅表层融化, 当激光扫描辐照时, 试样融化深度随激光功率和扫描次数的增大而加深直至完全融化; 试样融化后的结晶度有明显提高。实验结果和理论研究相吻合, 这对于利用CO2激光进行聚酰胺材料的微成型加工有指导意义。

金属合金的组分变化可以影响合金的机械性能特性, 定量检测激光加工过程中合金组分的变化显得至关重要。针对激光加工金属合金过程中熔融金属组分的变化情况进行了实验研究, 采用自由定标的激光诱导击穿光谱法对7075铝合金熔融金属的元素成分进行了定量分析, 并研究了不同加工条件(激光脉冲宽度)下组分的变化情况。实验结果表明, 激光加工后的熔融金属中Mg元素浓度降低, 而且随加工激光的脉冲宽度增大, Mg元素的浓度逐渐降低。由此也可见, 激光加工过程中材料的选择性气化与作用激光的脉冲宽度相关。

激光加工过程中常常伴随着等离子体现象的产生, 因此对激光等离子体进行诊断有助于加深理解激光加工的物理机理。通过激光诱导击穿光谱法对激光等离子体的电子温度进行了理论和实验研究, 并分别采用双线比较法、Boltzmann作图法和Saha-Boltzmann作图法对T2铜等离子体的电子温度进行了测量。实验结果表明, 双线比较法由于仅采用两条谱线的信息进行计算, 因此存在较大的误差。而Boltzmann作图法和Saha-Boltzmann作图法由于考虑了多条原子和离子谱线信息, 计算的等离子体温度可靠性较高, 适合于等离子体温度的测量。

作为太阳能光伏系统中普遍使用的一种结构材料, 多晶硅一直是人们研究的焦点。为了研究不同波长激光与多晶硅材料相互作用的机理, 分别采用波长为532、1 064 nm单脉冲激光辐射多晶硅表面, 并用光学显微镜对不同激光能量密度表面烧蚀形貌进行了观察, 探究了导致材料表面裂纹萌生的物理机制。研究结果表明: 波长1 064 nm的激光辐照下, 随着激光能量密度的增大, 烧蚀面积大小先呈指数分布后呈线性分布, 而在波长为532 nm下, 烧蚀面积大小呈线性分布; 高斯型激光辐照多晶硅时, 光斑中心环向热应力最大, 最易发生应力损伤; 两种波长激光辐照多晶硅材料的主要损伤机制为热熔损伤和带有瞬态热冲击引发的解理破坏且前者更易发生。

多晶硅的制造工艺日趋成熟, 成本不断降低, 在太阳能电池的制造中应用越来越广泛; 激光加工技术效率高、消耗低, 在太阳能电池制造领域起着举足轻重的作用。为了探究激光参数对多晶硅加工效果的影响, 在正交试验方法的基础上, 运用激光在多晶硅片表面进行单点多脉冲打孔的实验方法, 通过光学显微镜和三维形貌仪等设备对实验结果进行观察分析, 建立了工艺参数与激光钻孔实验结果的关系, 并优化了激光冲击多晶硅片的参数, 分析了孔周围的热影响区。由实验得到以下参数: 激光波长为532 nm, 能量120 mJ, 光斑直径0.5 mm, 作用时间45 s时, 在该条件下可得到最佳的孔径。

研制一台大能量高稳定性的钕玻璃激光器。采用陶瓷紧包聚光腔, 双脉冲氙灯侧面泵浦棒状磷酸盐钕玻璃, 平行平面谐振腔实现激光器大能量、稳定性输出。应用光线追迹软件, 仿真聚光腔内钕玻璃激光棒泵浦光场, 分析聚光腔的泵浦光分布,优化聚光腔设计。采用半桥逆变式串联谐振充电的电源主电路, 应用PID控制技术的控制电路实现激光器高稳定输出。通过实验分析计算, 钕玻璃激光器输出单脉冲能量为214 J、脉宽为2 ms, 激光能量输出的稳定性为±0.7%, 电-光转换效率为1.9%和光束质量M2为1.5的激光。

当前土壤重金属污染严重, 设计手持式土壤重金属现场、在线探测设备十分必要。系统发射光路采用会聚透镜将激光光束会聚并作用到样品; 收集光路采用抛物面镜和分离透镜组将等离子体光谱信号耦合进入光纤; 瞄准光路采用抛物面镜、反射镜和胶合透镜组将待测物点成像到毛玻璃上。激光光束经透镜会聚后作用到样品上的光斑尺寸合适; 等离子体光谱信号耦合至光纤的效率高, 耦合光束数值孔径满足选用光纤的要求; 瞄准系统对待测点成像清晰; 整个光学系统长、宽、高分别小于30、10、25 cm, 结构紧凑、体积小、轻便易携带。设计结果表明, 系统适用于非接触式土壤重金属现场、在线探测应用。

阐述了半导体激光的特点及其在再制造领域中国内外应用现状、存在问题和发展趋势。半导体激光具有高效、轻量、金属高吸收率等特点, 有利于开发节能降耗、高柔性的激光再制造装备与工艺, 在再制造产业中有很大的发展潜力。目前, 高功率半导体激光器已经逐步走入市场, 半导体激光已经在国内外再制造产业中得到应用, 以机器人作为执行机构的移动式半导体激光再制造装备与工艺也已经开始应用。半导体激光器的功率还有很大的提升空间, 光学整形、光纤耦合等技术还在不断发展, 与再制造工艺相关的机器人技术问题也在大力研究, 多种材料的熔覆理论与工艺问题不断得到解决, 过程检测控制理论技术也在继续攻关。未来的半导体激光再制造技术将突破工件的大小、形状、材质等多方面的制约, 迈上一个新的台阶, 在更深、更广的空间中应用和发展。

新兴激光加工技术制作太阳能电池, 可极大地避免太阳能电池制造过程中的损害, 是提高太阳能电池转换效率, 降低制作成本的有效手段之一。目前许多太阳能电池终端用户使用激光加工技术已有一段时间, 这表明了激光加工技术在光伏行业应用的可行性。阐述了国内和国际上对激光技术在光伏产业中应用的最新动态, 重点论述了激光切割技术、非接触加工技术、激光刻蚀技术、激光划刻技术、激光钻孔技术以及这些技术在光伏产业中应用的优缺点。在此基础上进一步指出目前虽然激光加工应用于太阳能电池制作技术的研究还不够充分, 如何进一步克服激光切割技术、非接触加工技术、激光刻蚀技术、激光划刻蚀技术、激光钻孔技术等在太阳能电池制作过程中遇到的问题还没有相应措施, 但进一步扩大激光加工在光伏行业的应用技术将是太阳能电池制作和发展的一个重大趋势, 必将成为一个新的研究重点, 也仍将是国内和国际研究的热点问题。

目的: 探讨抗代谢药物环孢霉素A对于抑制泪道激光成形术后纤维组织增生的作用, 指导临床用药, 以减少KTP激光治疗泪道阻塞的复发。方法: 制作成年家兔泪道狭窄动物模型后, 行KTP激光术后将其随机分成两组, 分别注入环孢霉素A和生理盐水, 观察泪道阻塞情况, 比较各组对于抑制泪道激光成形术后纤维组织增生的作用。结果: 环孢霉素A组较生理盐水组泪道狭窄出现时间晚, 纤维组织增生及胶原化程度轻。结论: 环孢霉素A能减轻泪道激光成形术后的纤维组织增生, 从而提高泪道激光成形术的治愈率。

目的: 探讨Er ∶YAG激光与Q532 nm激光联合治疗复发性咖啡斑的临床疗效及副作用。方法: 16 例复发性咖啡斑患者, 先采用Er∶YAG激光精确汽化病损浅层组织, 再用Q532 nm激光治疗至治疗区呈灰白色改变。根据患者治疗区的反应选择适当的治疗参数。8周治疗一次。结果: 16 例患者经4～9 次治疗, 痊愈10 例, 显效3 例, 有效2 例, 无效1 例, 总有效率达93.75%。无色素沉着及瘢痕形成。结论: Er∶YAG激光联合Q532 nm激光治疗复发性咖啡斑疗效确切, 副作用小, 安全性高。