应用离散偶极子近似的方法计算了L型金纳米棒双体结构的表面等离子体共振引起的消光光谱及其近场电场分布。研究表明在入射光的偏振方向为45 °时双体结构的消光谱峰位发生蓝移; 当入射光的偏振方向为135 °时, 双体结构的消光谱峰位发生红移。两根纳米棒间距较小时, 由于相邻金纳米棒之间的电场强耦合作用, 表面等离子体杂化出现新的共振能级,两根金纳米棒的连接处出现强的电场分布, 这些结果对于金纳米棒结构在表面增强拉曼散射方面有一定的参考意义。

采用激光立体成形技术(Laser Solid Forming, LSF)制备了多孔钛合金材料, 研究了激光立体成形工艺参数对多孔钛孔隙的影响以及多孔钛的力学性能。得到的主要结论如下: (1)激光立体成形工艺参数对熔覆道的尺寸的影响较大。(2)激光立体成形工艺参数对孔隙尺寸和形貌具有显著影响, 通过调节工艺参数可得到孔隙不同的多孔钛块体。(3)测量已制备出的多孔钛块体材料的孔隙率分别为14.01%、16.99%、21.12%, 拉伸性能在160～350 mp之间变化; 激光立体成形的多孔钛材料, 其纵向和横向弹性模量的变化差异, 是由于孔隙各向异性的存在而造成的, 尽管如此, 多孔钛材料的弹性模量由于孔隙的引入, 远小于纯钛的模量(55～117 GPa), 符合植入体材料(3～60 GPa)的要求。

为了改进Ti6Al4V钛合金的高温耐磨性能, 采用激光沉积制备技术, 通过改变同步送粉双料仓速率方式, 在Ti6Al4V钛合金表面制备了以WC颗粒为强化相的钛基梯度复合涂层。对耐磨涂层的微观组织进行了观察, 测量了涂层和Ti6Al4V基材的显微硬度和在500 ℃条件下的摩擦磨损性能, 并对涂层的强化机制和磨损机理进行了分析。结果表明: WC颗粒增强相均匀弥散分布在基体中, 并因吸收激光能量的不同而呈现不同的形态。由于WC颗粒和生成的TiC弥散强化及激光沉积基体组织的细晶强化作用, 基材的硬度和耐磨性均得到了提高。在相同的摩擦磨损条件下, 复合涂层较钛合金基材的耐磨性提高了约5 倍。

为了提高热锻模具的高温磨损性能, 以H13钢为基体材料, 采用半导体激光器在其表面激光熔覆Co基WC复合粉末。通过显微硬度计、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、高温摩擦磨损试验机对熔覆层的硬度、显微组织和高温耐磨性进行了研究。结果表明, 激光熔覆后涂层的显微硬度和高温磨损性能在很大程度上得到了提高。经分析, 该涂层主要组成相为过饱和固溶体Co, 硬质相CoCx、Fe3W3C、(Cr, Fe)23C6等。涂层在600 ℃高温磨损过程中, 一方面, 硬度相对较低的富Co区先磨损, 使硬度较高的碳化物硬质相凸显出表面, 阻止了对磨材料的磨损作用; 另一方面, Co、Cr元素在高温摩擦过程中促进了具有润滑作用的氧化膜CoO、CoO·Cr2O3的形成, 使摩擦系数降低, 从而使得熔覆层的高温耐磨性提高了2 倍左右。熔覆层高温磨损机制主要以磨粒磨损和粘着磨损为主。

为了提高60CrMnMo钢表面的耐磨性, 采用CO2激光器在60CrMnMo钢表面进行激光合金化WC-B4C-TiC以获得高硬度、耐磨的合金化层。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、硬度计分别分析了合金化层显微组织、物相组成与显微硬度, 利用轮式磨损试验机测试了其常温下的耐磨性能, 并与基材进行比较。结果表明: 合金化层与基材呈冶金结合, 合金化层组织主要由胞枝晶组成, 合金层物相主要有Fe-Cr、B10C、Cr23C6、Ti8C5、W2B。合金化层的最高硬度可达1 300 HV0.3, 是基材的5 倍左右, 耐磨性提高了大约3 倍。

在激光送丝熔覆中, 由于金属丝材为刚性输送, 可避免送粉带来的问题, 同时具有容易实现精确控制、送料速度快、精度高、材料利用率几乎为100%、节能环保及相对成本低等优点, 送丝熔覆被认为具有极大发展空间。为了获得连续平整的单道熔覆层表面质量, 采用“光束中空、光内送丝”的新工艺对304不锈钢丝激光熔覆的工艺进行了实验研究。分析了激光离焦量、送丝速度及线能量(激光功率与扫描速度的比值)对单道熔覆层质量的影响规律。实验结果表明: 随送丝速度及线能量的增大, 熔覆层表面质量先变好后变差; 在一定的激光负离焦范围内, 能够获得到表面质量良好的单道熔覆层。为激光送丝熔覆方式下成形实体零件的工艺提供基础。

针对“光束中空, 光内送粉”激光熔覆工艺方法, 通过改变激光功率、送粉速度、扫描速度、离焦量等工艺参数, 分别进行单熔道表面形貌、熔道宽度和高度的实验对比研究, 分析了环形光光内送粉的激光熔覆工艺参数对熔道成形质量的影响规律。结果表明, 激光功率较小将导致熔覆不均匀, 激光功率过大又会使熔道表面烧损, 随着功率的增加熔道宽度有增大趋势, 高度先增大后减小; 扫描速度过快会导致粉末不能充分熔化, 扫描速度过慢会增加熔道的厚度, 影响熔覆质量, 随着扫描速度的增加, 熔道宽度和高度均减小; 送粉速度增大导致熔化金属粉末增加, 但熔道宽度增加不明显, 当送粉速度过大时大量未熔化的金属粉末粘结在成形件的表面, 影响成形件质量; 随着离焦量的增加, 熔道宽度明显增加, 高度明显减小, 离焦量较小时熔道会烧损, 较大时熔道会无法形成。

选择性激光熔化技术(Selective Laser Melting, SLM) 是最近十几年发展起来的一种先进快速成形技术, 利用高能激光束熔化金属粉末, 逐层堆积, 直接成形高性能复杂金属零部件。SLM可成形的粉末材料广泛, 其中铝合金作为轻金属材料有优良的物理、化学和机械性能, 在很多领域获得了广泛应用, 但是铝合金自身的特性(如易氧化, 高反射性和导热性等)增加了选择性激光熔化制造的难度。研究使用AlSi12铝合金粉末对SLM成形工艺优化做了一系列试验研究, 利用金相显微(OM)、电镜扫描(SEM)等方法分析了扫描轨迹和成形件的组织性能。采用不同工艺参数组合, 在铝合金基板上进行铝合金粉末单道熔化实验, 研究了激光功率、扫描速度对单熔化道形貌和宽度的影响规律; 最终单道实验得出的优化工艺窗口, 要求线能量密度在0.17～0.36 J/mm范围内。在优化的工艺窗口内, 实施单层多道扫描, 分析扫描间距和搭接率对单层形貌的影响规律, 并进一步优化激光功率和扫描速度参数, 得到较优工艺参数是激光功率140～180 W, 扫描速度700～1 000 mm/s, 扫描间距0.04～0.05 mm。最后, 实施块体成形, 分析了成形件致密度与线能量密度的关系, 并对成形件的性能作了微观表征, 从粉末特性和工艺参数两方面分析孔隙的成因。

利用光纤激光对45号钢进行了激光熔凝强化处理, 研究了激光功率对单道和多道激光熔凝层深度的影响, 并分析了熔凝层组织、显微硬度和耐磨性能。结果表明, 单道激光熔凝硬化层组织主要为马氏体, 硬度可达HV 750, 深度达到1.0 mm以上。多道激光熔凝硬化层平均硬度约HV 450, 硬化层显微硬度呈周期性变化, 后道激光处理对前道硬化层存在回火软化作用。激光强化处理后的试样相比于未处理试样, 抗磨损性能提高了约50%。

扒掌是路基处理车挖掘链的尖端零件, 用于将路基土层耙松并输送到物料处理单元。其工作过程中承受剧烈的磨损, 长期依赖进口。对进口扒掌的结构、涂层组织及性能进行测试, 完成了失效分析, 优化设计了扒掌结构及制造工艺。采用清华大学颗粒增强金属基耐磨材料, 完成了激光熔覆国产化样件研制。对样件激光熔覆涂层的组织、硬度及摩擦学性能进行了测试。并在专门开发的工况模拟试验机上将国产化样件与进口件进行了强化对比试验。试验结果表明, 采用激光熔覆强化及改进结构的扒掌寿命优于进口部件, 成本大幅降低, 可替代进口件。

通过GS-TFL6000型横流CO2激光器, 采用YG813硬质合金粉末和自行设计的TiC/Co50复合粉末作为预置层, 在40Cr刀具基材表面进行了激光熔覆实验研究。借助光学显微镜和X射线衍射仪分析了复合粉末成分配比和激光工艺参数对刀具表面修复层宏观形貌和组成与结构的影响。结果表明, 采用YG813硬质合金粉末无法得到良好熔合质量的修复层, 而自行设计的复合粉末在激光功率为4.5 kW, 扫描速度为400 mm/min时, 预置层经高能激光束辐照后可以得到表面熔合质量良好的修复层。显微组织结构分析显示, 修复层组织细密, 无明显气孔和裂纹缺陷; 不同激光工艺参数下的修复层物相组成基本相同, 基体相主要由γ-Co和少量Ni3(Cr, Fe)固溶体组成, 大量颗粒状TiC增强相弥散分布在基体组织中。

为了研究不同能量和波长的激光参数对刀具表面微织构的影响, 采用Nd∶YAG固体激光器不同参数(波长、能量)的激光烧蚀碳化钨(WC)硬质合金刀具表面, 利用X350A型应力测定仪器, 硬度测试仪以及光学显微镜, 从残余应力、显微硬度和微观形貌等方面分析了激光微织构造型工艺对其表面特性的影响。结果表明, 激光对WC硬质合金表面微织构后表面的残余应力和硬度影响较小, 而不同参数的激光冲击后微观形貌区别较大。

采用波长为1.06 μm的脉冲激光进行了除锈工艺研究。主要研究了激光扫描速度、脉冲重复频率、扫描方式、离焦量、扫描线间距等工艺参数对于锈层清除率的影响, 最后获得了优化的工艺参数, 并采用该参数除锈的样品与砂纸打磨样品进行了抗腐蚀性能和拉伸力学性能对比。研究结果表明: 过高的扫描速度和脉冲重复频率, 无法清除锈层; 而过低的扫描速度和脉冲重复频率, 虽然能够很好的除去样品的锈层, 但是会对除锈后的表面造成二次氧化。离焦量和扫描线间距会影响相邻脉冲光斑的重叠程度, 这两个参数也应该选择合适的组合, 过大的重叠会引起二次氧化。采用慢、快扫描速度和低、高脉冲重复频率交替、多次扫描以及每次扫描旋转一定角度的方式更有利于去除船用钢板上的深厚的锈蚀。激光除锈后的船用钢材的抗腐蚀性能是用砂纸打磨的样品的2～3 倍。

采用光纤激光对车用6016铝合金与镀锌钢无坡口对接接头进行深熔填丝钎焊, 对接头焊缝的成形、微观结构和显微组织, 以及力学性能进行了分析。扫描电镜(SEM)分析表明, 在镀锌钢与钎焊缝界面存在一层薄金属间化合物, 不同位置中间层的厚度不尽相同, 平均厚度约为4.12 μm; 能谱(EDS)和X射线衍射(XRD)分析表明生成的金属间化合物主要为τ5-Al8Fe2Si, θ-Al13Fe4 和ζ-Al2Fe。拉伸试验中试样断裂于铝合金母材的热影响区, 抗拉强度可达162 MPa, 断裂接头发生明显的 “缩颈”现象; 断口分析表明, 接头的断裂主要是韧窝断裂。

采用机器人光纤激光焊接系统, 进行了厚度为1.8 mm幅面为100 mm×200 mm的TC4钛合金激光焊接试验。为确保焊缝的质量, 设计了一套气路保护装置。研究了激光功率、焊接速度、离焦量和保护气体流量等参数对焊接质量的影响, 获得了优化焊接工艺参数: 激光功率850～900 W、焊接速度0.7～0.9 m/min、离焦量-0.8～-0.5 mm。

ZL114A铝合金具有良好的铸造性能并且可以进行热处理强化, 2219铝合金具有良好的常温、低温性能, 这两种铝合金都在航空航天领域具有广泛的应用。采用CO2激光器进行了ZL114A与2219异种铝合金带锁底对接接头激光焊接试验。焊后采用光学显微镜、显微硬度计以及拉伸试验机对焊缝接头的显微组织和力学性能进行分析。在焊缝区域中, 下部冷却速度较快, 晶粒较为细小。焊缝区晶粒较为细小, 焊缝内部显微硬度要高于两种母材。拉伸试验中接头断裂在较薄2219母材一侧。

由于铝合金对激光的高反射和自身的高导热性, 铝合金汽车动力电池外壳的密封焊接存在较大的困难。采用Nd∶YAG脉冲激光器对1 mm厚的3003 H14铝壳进行激光密封焊接。为改进动力电池铝合金外壳封装工艺, 满足成品电池壳的密封焊要求以及所能承受的压力要求, 详细研究了Nd∶YAG激光器脉冲波形对铝合金焊接效果的影响。通过理论分析和实验验证, 预热保温的脉冲波形是获得优质密封焊接效果的良好选择, 其焊接样品拉伸断裂机制为脆性韧性综合型断裂, 在平均输出功率200 W、频率10 Hz、焊接速度3 mm/s等工艺参数下能获得成形良好、无缺陷的焊缝。

采用连续光纤激光器进行了0.5 mm和1 mm厚304不锈钢薄板的对接拼焊。研究了焊接速度、离焦量、保护气类型对焊缝成形及性能的影响, 通过对焊缝熔透性、焊缝形貌的分析, 得到了优化的焊接工艺参数。实验结果表明, 在氩气保护条件下, 激光输出功率为200 W, 焊接速度为120 mm/min, 离焦量为0时, 焊缝质量良好, 焊缝组织呈明显的柱状晶组织特征, 由奥氏体和残余δ铁素体组成。随着焊接速度的提高, 焊缝的拉伸强度逐渐减小。当焊接速度为120 mm/min时, 焊缝的拉伸强度最高达562 MPa, 接近母材强度。

在PCB板上标记已经成为电子生产中产品追踪控制以及追溯所不可缺少的一种工艺手段。当前的一维条码技术及纸质标签正面临着诸多困难, 而激光直接物标技术在PCB表面直接标识2D码是一种可行的非常灵活的标识方法, 且不对PCB表面造成损伤。采用稳定低价的CO2激光物标系统, 通过标识方法、激光功率、激光速度等参数的优化, 精心设计了一套适用于在PCB上标识高密度微型2D码的标识方法, 实现在2 mm×2 mm上编入20～25位数字的信息, 识读率达99%。

激光电路板直写技术避免了传统化学沉积方法高昂的价格与环境的污染, 也同时大大增加了电路设计的灵活性。重点研究聚合物金属粉掺杂材料的激光电路直写, 使用不同参数的激光束对样本表面活化处理后采用同一的方式进行化学沉积, 测试了激光电路板直写中激光参数对结果的影响。最后采用SEM对材料表面微观形貌及电阻值进行观察, 发现在一定的功率与光斑覆盖率下, 通过优化加工参数可获得最佳导通率和表面平整度。

传统的种子活力检测法不能实现对每一粒种子进行精准无损检测。通过实验研究了利用主观激光散斑和客观激光散斑检测大豆活力的方法, 对已有的各种散斑动态特性描述算法的效果及检测速度进行了比较。结果表明, 利用主观激光散斑和客观激光散斑均可实现对每一粒大豆种子活力的快速精准无损检测; 需要以图像的形式给出定性检测结果时, 应采用主观激光散斑进行检测, 采用广义差分算法进行处理。需要得到大豆活力的定量检测结果时, 应采用客观激光散斑进行检测, 采用相关系数法对散斑进行处理。

选择正常奶牛和患病奶牛(患乳腺炎)的血液样品为研究对象, 进行荧光光谱实验。激发光的波长范围为220～300 nm。实验结果表明当激发光为230、250 nm和260 nm时, 所得荧光光谱的荧光强度较强。患病奶牛血液样品荧光光谱在467 nm处的荧光峰与正常奶牛血液样品相比发生了蓝移, 并在322 nm处产生了新的荧光峰, 同时在600～800 nm区域的宽谱带的荧光强度明显增强。患病奶牛的血液中的蛋白质、血红素辅基和卟啉分子结构发生了变化导致荧光光谱发生了变化。可依据上述血液样品的荧光光谱在某些区域的变化判断出奶牛的血液样品是否异常。实验为血液检测及疾病诊断技术提供了实验支持, 同时对血液照射疗法提供了实验基础。

以SLCM1225系列激光切割机为例, 运用几何光学原理, 分析了经聚焦镜上方的全反镜或圆偏振镜反射出来的激光束方向与经聚焦镜聚焦后的聚焦光束垂直度的关系, 指出可以通过调节聚焦镜上方的全反镜或圆偏振镜来改善经聚焦镜聚焦后的激光束方向, 进而改变该聚焦光束与待切割板材表面所成的角度, 从而实现对板材割缝垂直度的控制。特别是对割缝垂直度要求较高的激光模切板行业, 该调节技术能够有效地实现对割缝垂直度的校正, 克服了采用平移聚焦镜技术有时还需要改造设备的缺陷。针对现有的激光刀模行业主流装备, 经过多次调节切割试验, 该方法效果良好。

激光冲击强化(Laser Shock Processing)又称激光喷丸(Laser Peening)是一种新型表面强化技术, 是利用高功率密度(可达GW/cm2)、短脉冲(ns量级)激光辐照材料表面时, 材料表面的表面吸收层(涂覆层)吸收激光能量发生爆炸性汽化蒸发, 产生高压(GPa)等离子体, 该等离子体受到约束层的约束爆炸时产生高压冲击波, 作用于金属表面并向内部传播。在材料表层形成密集、稳定的位错结构的同时, 使材料表层产生应变硬化, 残留很大的压应力, 显著的提高材料的抗疲劳和抗应力腐蚀等性能。介绍了激光诱导等离子体的原理、激光在材料表面诱导冲击压力模型、激光冲击致材料表层纳米化、激光冲击诱导等离子体强化技术应用于钛合金和铝合金在航空工业中的应用, 并对该技术的国内外研究现状进行了阐述及展望。

目的: 观察并比较骨关节炎复合激光穴位照射治疗与针刺联合特定电磁波治疗器(TDP)照射两种方法的差异性。方法: 以10.6 μm及650 nm复合激光照射和针刺联合TDP为手段, 选取犊鼻穴治疗膝关节骨关节炎, 开展随机、对照临床试验。采用WOMAC问卷结合患者疗效自评进行评价。结果: 复合激光照射组治疗后2 周及6 周与治疗前比较, 疼痛、僵硬和功能程度积分均有显著改善(P值＜0.001), 对照针刺联合TDP照射组治疗前后同节点相应指标均无统计学差异(P值＞0.050)。结论: 犊鼻穴激光照射对膝关节骨关节炎确有一定疗效, 这一效应和针刺联合TDP照射无明显差异性。