为了拓展激光熔覆制备高熵合金涂层在材料表面改性中的应用, 本文利用激光熔覆的方法在45#钢基体上制备了成形质量良好的CrNiAlCoMoBx系高熵合金涂层, 并研究了激光熔覆工艺参数和B含量对涂层成形质量、微观组织结构和硬度的影响。结果表明: 在优化的工艺参数下, 可以得到表面形貌良好的CrNiAlCoMoBx系高熵合金涂层, 涂层与基体呈良好的冶金结合, 涂层由枝晶和网状共晶组织组成, 均匀致密, 最高硬度达到950 HV0.2, 平均硬度可达700 HV0.2, 是基体45#钢硬度的3倍。随着B含量的增加, 裂纹减少, 硬度有所降低, 但始终在600 HV0.2以上; 涂层的干摩擦磨损性能优于H13钢; 在3.5%NaCl电解液中耐腐蚀性良好, 与304不锈钢相当。

为了提高激光诱导击穿光谱(LIBS)技术检测自然土壤中Pb的检测精度, 提出采用间隔偏最小二乘法(IPLS)定量预测模型。对土壤在400～417 nm波段的特征光谱进行平滑预处理后, 建立偏最小二乘法(PLS)定量模型, 得到训练集的相关系数为0.974 2, 且斜率为0.983。建立IPLS模型时, 把所选波段均分成了25个子区间, 得到第八个子区间包含了Pb的特征光谱405.78 nm, 且交叉验证均方根误差最小, 选择该区间建立模型得到训练集相关系数为0.985 3, 斜率为1.121。预测集中, 土壤样品Pb的真实浓度与预测浓度之间的相对误差在13%以内, 平均相对误差为7.00%。研究表明IPLS法应用于LIBS定量检测土壤中的Pb是可行的, 且该定量模型预测效果优于PLS法。

为了研究探测高度对土壤激光等离子体的影响, 调节收集系统处于11个不同高度进行实验, 选取锌的472.21 nm特征谱线作为分析线。实验结果表明, 随着探测高度的增加, 谱线强度、信背比先增大后减小。选取土壤基体元素铁的四条特征谱线计算等离子体温度和铝元素的一条特征谱线计算电子密度, 得到了等离子体温度和电子密度在不同探测高度的变化特性, 实验结果表明在2 mm探测高度处, 等离子体温度和电子密度最大。

针对大功率半导体直接输出激光加工系统的应用, 本文搭建了由大功率半导体激光器、工控机、机械手运动系统、测温仪和WAGO通讯模块等组成的激光加工系统的硬件平台, 提出了大功率半导体激光直接输出加工过程中激光加工温度的控制方法, 设计了基于Lab Windows/CVI交互式软件开发环境的PID和模糊控制算法, 并且通过现场实验对两种控制算法的各个参数进行了精确整定。整定后的PID和模糊的温度控制效果良好, PID控制的温度峰值时间只有0.45 s, 最大超调量为3.28%, 稳态均方根误差为1.01 ℃; 模糊控制的温度峰值时间为0.93 s, 最大超调量为1.5%, 稳态均方根误差为2.22 ℃。为了对比两种控制策略的实际控制效果, 以设定温度为1 250 ℃, 启动功率为500 W, 45#钢基体为实验条件, 分别对整定后的PID控制和模糊控制以不同的扫描速度进行激光相变硬化实验, 实验发现随着扫描速度的增加, PID控制与模糊控制的稳定性都有所降低, 但是在相同扫描速度下, 模糊控制的超调量较小, 温度控制更稳定。因此模糊控制策略更适合于本控制系统, 最终本系统采用模糊控制作为激光加工的温度控制策略。

利用微透镜列阵实现光束的分割和叠加是一种典型的光束匀化方法。而在微透镜列阵实现激光光束匀化时, 由于微透镜列阵的周期性和激光的相干性, 匀化光斑会产生周期性点阵分布现象, 降低了光束匀化质量。提出一种利用中心离轴型随机微透镜列阵消除点阵效应以实现激光光束的匀化方法。在分析光束经过微透镜列阵的传播特性基础上, 设计列阵中各个子透镜单元的几何中心偏离其光轴, 利用中心离轴量的随机性打破微透镜列阵的周期性, 消除目标面处的点阵现象, 实现高均匀性的光斑分布。采用移动掩模技术制备随机微透镜列阵, 并开展激光光束匀化实验。结果表明, 该方法能够有效提高激光光束的均匀性, 有望在激光加工、医疗和照明等方向有较大的应用前景。

设备采用外触发预电离模式, 分别设计了高压触发和预燃电流维持两个功能, 同时支持手动和自动两种触发模式。在连续预电离状态下氙灯放电电流达到200 mA, 该状态下能保证灯内一直有电流流过, 同时在主放电压1 400 V下氙灯可顺利完成主放电。该配套设备已成功应用在主动补偿脉冲发电机驱动带脉冲预燃电源系统中。

目的: 探讨Nd∶YAG激光和传统根尖外科手术治疗窦道型根尖周炎的疗效差异。方法: 将54例窦道型根尖周炎的患牙随机分成Nd∶YAG激光治疗组和传统根尖外科手术治疗组, 在Nd∶YAG激光治疗组中, 将Nd∶YAG激光光纤头沿瘘管插入根尖, 然后缓慢旋转后退照射瘘管避, 重复照射3次, 并配合生理盐水冲洗。传统根尖外科手术组采用手术治疗患牙。分别对两组患牙进行术后48h反应情况、术后10天情况和术后3个月情况进行复查。结果: 术后48 h Nd∶YAG激光处理组的术后反应明显较常规手术组轻(P＝0.000)。两组数据有显著差异性。术后10天Nd∶YAG激光处理组和常规手术组在术后10天的疗效相同(P＝0.655)。术后3个月Nd∶YAG激光处理组和常规手术组的疗效相同(P＝0.541)。结论: Nd∶YAG激光在治疗窦道型根尖周炎方面与传统根尖外科手术相比在治疗效果方面没有明显差异, 且Nd∶YAG激光治疗后, 患牙的术后不适反应更轻, 因Nd∶YAG激光在治疗过程中的创伤更小, 更加安全, 所以其临床适用范围较传统根尖外科手术更广, 值得推广。

采用半导体激光器在45#钢基体上制备金刚石复合涂层, 熔覆层材料为铁基粉末2Cr13和人造金刚石微粉的混合粉末, 熔覆设备使用2 kW光纤耦合半导体激光器。利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)对涂层的显微组织、元素分布和相结构进行分析; 并采用摩擦磨损试验机对涂层的摩擦磨损性能进行了测试。结果表明: 该复合涂层中的金刚石在激光的作用下发生了形态转变, 一部分完全碳化形成石墨; 另一部分不完全碳化形成石墨并残留小部分金刚石相。XRD分析涂层的相组成可知, 该涂层主要由硬质相Fe0.64Ni0.36、金刚石、FexCy、过饱和固溶体Cr和石墨等组成。由于涂层中金刚石及石墨的存在, 使得涂层具有优异的耐磨性能, 涂层的耐磨性相比未添加金刚石涂层提高了近60%, 涂层的磨损机制以磨粒磨损为主。

采用类金属透明模型合金SCN-Eth合金, 在自主搭建的激光熔池凝固过程宏微观实时观察平台上, 研究了激光重熔过程中熔池宏微观形态演化规律。研究发现, 随着激光束扫描的进行, 熔池及其热影响区的宏观形态都先从圆形变为椭圆形, 最后演化为尾部呈“V”形的泪滴状。随着激光功率的增加, 稳态熔池长度L、宽度W、尾部夹角α均增加; 随着扫描速度的增大, 稳态熔池长度L、宽度W、夹角α均减小; 熔池长宽比随功率的增加而增大, 随扫描速度的增加先增大后减小。从熔池中部到熔池尾部液固界面形貌依次呈平面→胞晶→枝晶演化, 胞晶和枝晶一次间距不同, 浅胞间距约为28 μm, 深胞间距约为42 μm, 枝晶间距约为65 μm, 胞枝晶一次间距沿固液界面增大。

为解决激光熔覆成形不等宽构件多道搭接产生的冷却不均匀、产生开裂等缺陷问题, 提高激光熔覆成形不等宽熔道的成形效率及成形质量。基于光内送粉方式在单道工艺中采用实时变激光光斑方法, 一次扫描而非多道搭接直接熔覆出不等宽熔道。实验结果表明: 在保证送粉量足够条件下, 变光斑过程中通过实时变扫描速度, 能够直接熔覆出高度增长一致, 宽度逐渐变化熔覆层; 随熔道宽度逐渐变宽过程中, 熔覆层显微组织树枝晶大小逐渐变细。为光内送粉激光熔覆成形薄壁变壁厚类零件的工艺提供指导。

采用同轴送粉与压片预置激光熔覆工艺制备NiCoCrAlY涂层, 对两种激光熔覆工艺粉末利用率、涂层稀释率、熔覆层硬度及熔覆层微观组织形貌进行了比较。结果表明, 在涂层界面能形成良好冶金结合的优选工艺参数条件下, 同轴送粉激光熔覆粉末利用率和加工参数密切相关, 最高不超过0.4, 而压片预置激光熔覆粉末利用率高于0.9; 同轴送粉激光熔覆制备涂层熔合区为垂直于界面的柱状晶, 上部为均匀的等轴晶, 压片预置激光熔覆涂层的枝状晶贯穿整个涂层; 但是压片预制熔覆涂层的硬度略低于同轴送粉熔覆涂层。

在不同表面温度下对TC4钛合金试样进行激光温喷丸实验, 使用频率响应法测试TC4钛合金试样的一阶弯曲振动共振频率和阻尼比, 测定了喷丸区域半高宽值(FWHM), 研究在不同试样表面温度下激光喷丸对TC4钛合金阻尼特性的影响, 分析激光温喷丸中试样表面温度与最终一阶弯曲振动阻尼比的关系, 讨论了不同试样表面温度对试样阻尼性能的影响机制。结果表明: 在进行激光温喷丸时, 试样在动态应变时效温度下形成的高密度位错对阻尼特性有重要影响, 随着试样表面温度的上升, 试样处理后的一阶弯曲振动阻尼比不断升高, 在表面温度达到350 ℃时试样最终处理后阻尼比达到最大值; 与激光喷丸技术相比, TC4试件的阻尼比从2.1%提升到了3.2%, 表明了激光温喷丸可以有效减小振动工况下的振动应力。

激光淬火是将激光光束照射到工件表面从而使温度上升以得到相应的相变组织的一个过程。激光淬火能够提高淬火区域抗磨损、抗疲劳以及抗腐蚀的机械性能。但是由于在激光淬火过程中影响激光表面淬火温度场形成的因素很多, 所以很难建立起相应的激光淬火温度场控制数学模型。本文在研究中利用先进的模糊控制技术, 设置相应的模糊控制规则表, 从而通过激光淬火实时的温度反馈, 实现对工件表面的激光淬火温度场进行可靠控制, 从而保证淬火质量。本文所涉及的激光淬火温度场模糊控制算法是以工件表面淬火温度偏差为输入, 以扫描速度为输出的单输入单输出的模糊控制, 具有实用性和可靠性。

基于傅里叶热传导方程, 利用有限差分法计算了石英在激光作用下的温度场分布。结果表明在连续激光的作用下, 石英的轴向温度变化分为升温过程和降温过程。考虑热累积效应, 辐照0.1、0.5、0.8 s后温度较之前分别升高了约 10、100、200 ℃, 激光作用时间越长, 温度累积越明显。对于脉宽为5 ms, 占空比为1/2和1/3的脉冲激光, 辐照3个脉冲后, 温度分别升高94 ℃和82 ℃。石英在轴向方向的温度累积较径向更明显。研究激光与石英相互作用后温度场的分布对激光加工工艺有着重要的意义。

研究了激光成形修复30CrMnSiNi2A超高强度钢的微观组织及力学性能。结果表明: 激光修复区(LRZ)与锻件基材实现良好冶金结合。修复区主要为板条马氏体和回火马氏体, 热影响区(HAZ)受激光淬火形成细小马氏体板条。硬度从修复区向基体区(SZ)整体呈下降趋势, 在热影响区内出现硬度峰值(58 HRC)。激光修复试样冲击韧性为33～34 J/cm2, 低于同批锻件基材, 失效方式为准解理断裂。激光修复区耐磨性与基体区相当, 磨损方式主要为磨粒磨损。

针对基体表面倾斜条件下的激光沉积特性展开研究, 通过表征倾斜基体表面上激光沉积过程熔池的形貌特征以及几何特性, 揭示基体表面倾斜特性对熔池的形貌特征、几何特性和表面粘粉的影响规律, 并探讨其影响机制。研究结果表明: 在倾斜基体上, 熔池受重力作用流动铺展, 当沿着倾斜基体上坡扫描时, 熔池气液界面向下凹陷, 并且熔池随倾斜角度的增加逐渐变长; 当沿着倾斜基体下坡扫描时, 熔池随倾斜角度的增加逐渐变短。由于激光能量在斜面上分布状态不同, 上坡时熔池后沿能量低, 粉末未能完全熔化, 导致沉积层表面有粘粉, 且随着角度的增大表面粘粉增多; 下坡时熔池后沿能量高, 表面粘粉较少甚至没有粘粉, 成形表面质量较好。

采用Level-set方法模拟了激光深熔焊接过程中光致等离子体的动态形成过程, 研究了等离子体形态、温度、孔内压强、气体流速等行为特征。结果表明: 在2.2 ms时刻等离子体的最高温度达到4 300 K,孔内的最大压强为4×105 Pa, 等离子体在小孔径向的最大流速为60 m/s, 最大流速位于等离子体中心处且接近孔底的位置, 且等离子体沿小孔轴线方向与径向方向的流速下降。考虑等离子体对激光能量吸收比未考虑等离子体对激光能量吸收时孔内功率密度降低了12.5%。研究结果将为激光深熔焊接过程中等离子体的机理研究和模拟研究提供理论依据。

为了解决传统焊接工艺(填丝TIG焊)焊接传动轴总成滑移端壳体-法兰存在的焊缝余高太高, 造成应力集中; 焊缝熔化不均匀、气孔, 造成壳体和法兰在传递扭力时脱落; 整体焊缝外观成型质量差; 焊丝损耗比较大; 焊接效率低等问题。采用激光深熔焊接对传动轴总成滑移端壳体-法兰进行焊接, 并研究激光焊接后焊缝表面形貌、焊缝宽度和热影响区宽度、焊缝熔深、焊缝余高和焊缝显微硬度。结果表明: 激光深熔焊接后, 传动轴总成滑移端壳体-法兰焊缝熔化均匀、无气孔等缺陷; 焊缝表面形貌美观, 热影响区以及焊缝宽度远小于传统工艺焊接时的热影响区及焊缝宽度, 焊缝和热影响区的硬度均高于母材, 热影响区未出现软化, 焊接熔深达到焊接要求, 焊缝余高为0.3 mm, 同时激光焊接效率较高, 满足传动轴总成滑移端壳体-法兰的焊接要求。

对TC4-DT钛合金电子束焊接接头的显微组织、裂纹扩展速率以及断口形貌进行分析研究, 结果表明: 焊接接头组织为α′针状马氏体网篮组织, 热影响区为针状网篮马氏体和片层状α相和β相组成, 形成熔凝区向母材组织的过渡, 疲劳裂纹扩展速率与焊缝组织有密切关系, 与片层状的锻件组织相比, 阻碍裂纹扩展能力有所下降。

利用YAG脉冲固体激光器, 在高纯氩气的保护下, 选取优化了的激光工艺参数在45#钢表面制备FeAlCrNiSiC六元高熵合金涂层。主要采用OM、SEM、EDS、XRD和显微硬度等分析手段, 对实验制备的合金涂层的形貌、组织结构、成分、相结构、硬度及相关机理进行了研究。实验结果表明: 优化的激光熔覆工艺参数为功率85 W, 激光扫描速度为5 mm/s, 能量密度47 J/mm2, 搭接率50%。采用此优化工艺参数成功制备了与基体形成良好冶金结合的FeAlCrNiSiC高熵合金涂层。制备涂层的硬度达到了800 HV, 涂层的内部结构由条状等轴晶及网状枝晶组成, 组分偏析得到了有效缓解。合金涂层具有FCC结构的γ-Fe和BCC结构的FeAlCrNiSiC固溶体的简单物相, 合金元素Al、Cr、Si、Ni、C固溶在两种多组元固溶体中, 增加了晶格畸变, 使涂层具有高的硬度。

介绍了镀锌钢板激光填丝搭接焊接的方法及设备, 对1.0 mm镀锌钢发现板与0.7 mm普板的搭接接头进行光纤激光填丝焊接。研究了不同焊接参数下焊缝的外观形貌、焊缝宏观截面以及显微组织。发现在合适的工艺条件以及参数下能获得美观的焊缝接头。焊缝显微组织主要为铁素体、珠光体以及贝氏体, 填丝焊热影响区比单激光自熔焊要大, 其主要组织为粗大铁素体。实验结果显示随着激光功率的增大焊缝熔深熔宽均增大, 随着光斑远离焦距位置, 焊缝熔宽增大, 熔深略减小。随着焊接速度的增大, 焊缝熔深减小, 熔宽也呈减小趋势。

激光焊接技术具有单位热输入量少、热变形小、焊缝深宽比大、焊接速度高、可焊接复杂结构件、易于实现远程焊接和自动化等明显优势, 在汽车制造中得到广泛应用。本文分析了预置填充稀土粉末对1 mm厚6061铝合金激光焊接组织和性能的影响。试验表明, 直接焊接的焊缝平均显微硬度为44.5 HV, 填充稀土粉末的焊缝平均显微硬度为50.1 HV, 达到母材硬度的83.1%; 但稀土含量过高容易促进焊缝氢气孔的产生, 使得焊缝硬度分布不均匀; 降低焊缝的抗拉强度, 未填充稀土粉末的焊缝平均抗拉强度为111.04 MPa, 达到母材的89.5%, 而填充稀土粉末的焊缝平均抗拉强度为89.06 MPa, 仅为母材的71.8%。

激光刻痕可以细化取向硅钢的磁畴, 降低铁损, 但经过应力退火后降低效果消失, 即不具备耐热性。利用飞秒激光加工系统对取向硅钢进行刻痕加工, 利用化学腐蚀的方法, 结果表明化学腐蚀方法使得硅钢铁损降低具有耐热性。利用硝酸和盐酸溶液进行试验, 结果表明利用盐酸对紫外飞秒激光处理的取向硅钢腐蚀, 在不明显降低取向硅钢质量的前提下, 可以有效提高铁损降低的耐热性。

随着全球对食品安全性重视的提高, 对水果实现产品追溯成为必然要求。目前, 对于水果追溯大都是通过在水果表面粘贴纸质标签实现, 然而, 由于纸质标签粘贴强度稳定性差, 有些容易脱落, 造成信息丢失; 有些又难以去除, 给广大消费者带来麻烦。针对此问题, 利用激光技术在水果表面直接标刻二维条码成为新的研究热点。为此, 本文以香蕉为研究对象, 利用CO2-S100XP激光器在香蕉表面标刻Data Matrix(DM)二维条码, 研究了直接标刻二维条码在香蕉表面应用的可行性, 分析了激光参数对二维条码颜色和对比度的影响, 同时, 分析了影响条码识读的各个因素。实验表明: 激光功率和标刻速度是影响条码质量主要因素; 香蕉划痕、黑斑和标刻位置会影响条码的质量和条码的识读。

针对切割后的板料表侧面质量差, 拼焊时因两板间隙产生挂渣、过烧和熔滴等问题, 对5 mm厚的22SiMn2TiB装甲钢进行了激光切割实验研究, 讨论了激光功率、切割速度、离焦量、喷嘴孔径和辅助气体压力等5个工艺参数对切割后板料表侧面质量影响的规律。实验结果表明: 激光切割22SiMn2TiB装甲钢时, 调整上述5个工艺参数在合理范围内时, 未产生挂渣、过烧和熔滴等缺陷。最后通过工艺优化得到了激光切割22SiMn2TiB装甲钢最佳工艺参数为切割速度2 000 mm/min、激光功率2 200 W、离焦量1 mm、喷嘴孔径1.5 mm、辅助气体压力0.15 MPa。

激光在近地大气降雨环境中传输时, 易被雨滴散射和吸收, 研究不同降雨条件下激光透过特性, 为激光探测在目标探测系统中克服降雨因素的影响提供了一定依据。在Mie散射光学理论基础上, 以韦布分布为雨滴尺寸分布模型, 计算激光波束在雨中的传输衰减特性在降雨量不同时随距离的变化关系, 分析在不同传输距离上5种典型降雨量对激光在水平传输路径上的衰减影响, 并利用Modtran软件计算结果验证该计算结果的正确性。研究表明, 激光透过率随着降雨量以及传输距离的增加而下降, 且降雨量越大, 在一定传输距离上下降速度越快。这些结论为目标探测系统在不同降雨环境中发射系统功率与接收系统精度的选择提供了一定的理论依据。