为了研究激光增材制造熔池温度的影响因素, 对Inconel 625镍基高温合金激光增材制造过程的熔池温度进行了测试实验。实验测试结果表明, 激光增材制造过程熔池温度随着激光功率的增高, 扫描速度的降低, 送粉速率的降低而增高; 交错扫描的方式加工过程温度平稳; 扫描间距影响激光增材制造加工过程温度分布; 90°扫描转角情况下温度变化幅度最大; 用多元回归的方式构建激光熔池温度预测公式, 实验验证结果表明, 公式预测精度较高。

以变形镁合金AZ31B为试验基材, 在其表面采用高功率CO2气体激光熔覆了Al-Si基纳米Si3N4粉末。采用金相观察、X射线衍射分析、能谱分析、硬度测试和腐蚀性能测试等手段, 研究了激光熔覆层的微观组织结构及表面性能。研究结果表明, 激光熔覆层主要由上部的树枝晶、中部呈线性排列的黑色相和下部的粗大树枝晶组成。当纳米氮化硅含量为1%时, 熔覆层主要由Al、AlN、Al9Si和Mg2Si组成。熔覆层的硬度最高达到235 HV0.05, 是镁合金基体的4～5倍。熔覆层的耐腐蚀性能得到了改善, 其腐蚀电位为－1 204 mV, 比母材提高了382 mV; 腐蚀电流密度为0.070 5 mA·cm-2, 比母材降低了约一个数量级。

针对TA15钛合金通槽损伤形式进行激光沉积修复试验, 观察修复试样的组织形貌, 测试修复试样的显微硬度及冲击性能。实验结果表明, 修复试样由修复区、热影响区及基材区三部分组成, 修复区与基体形成致密冶金结合; 修复区组织为粗大原始β柱状晶, 晶内为α＋β网篮组织, α片层随机取向生长, 宽为0.4～0.5 μm。硬度分布由基材向修复区依次提高, 主要合金合金元素Al、Zr、Mo、V由基材到激光修复区均匀分布, 无宏观偏析。修复试样的冲击韧性较基材低, 为基材的52%～73%; 在高应力冲击载荷下, 修复区呈脆性断裂, 基材倾向于韧性断裂; 修复试样的冲击韧性随修复区体积增加而提高。

针对SLM产品加工时的实际情况, 利用ABAQUS有限元平台, 建立了激光融化316L不锈钢粉末三维瞬态非线性温度场的模型。通过子程序编写实现了材料的热物性参数随温度和状态变化而变化——即材料由粉末转变为实体时热物性参数发生改变, 模型考虑了相变时潜热的影响, 实现了高斯热源的加载以及边界条件的设置等。在相同加工参数条件下建立了模型中全部为粉末、含无预热实体的粉末、含预热实体的粉末三种模型, 对应于实际加工中的不同情况, 结果表明它们温度场传热形态具有很大的差异, 形成SLM成型过程中不同的温度场。

为提高激光近净成形多道搭接熔覆层表面平整性, 通过实验研究了在临界搭接条件下激光功率、扫描速度和送粉速率对Ni60粉末多道搭接熔覆层高度、表面波动幅值、熔覆层高度波动值以及幅高比的影响规律。建立了搭接率与激光功率、扫描速度和送粉量之间的关系预测模型, 并进行搭接率优化。研究结果表明, 随激光功率增大, 熔覆层高度波动增大, 表面波动幅值先降低后增加; 随扫描速度增大, 熔覆层高度波动减小, 表面波动幅值先降低后增加; 随送粉量增大, 熔覆层高度波动增大, 表面波动幅值增加; 搭接率选择要适当小于临界搭接率。

为提高锆合金表面的耐摩擦、耐腐蚀性能, 研究在锆合金表面激光熔覆TiN粉末, 制备TiN/ZrN陶瓷涂层。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、能量散射X射线谱仪(EDX), 分别分析了熔覆层的显微组织形貌、成分与相结构, 测试了激光熔覆层的显微硬度。结果表明, 在适当的工艺参数下, 可制备出没有裂纹、气孔和表面质量良好的熔覆层。熔覆层的表层有大量密集生长的树枝晶组织, 中层开始出现颗粒状和块状的组织, 结合区有少量的纤维状组织, 且熔覆层主要由Zr、ZrN、TiN等相组成。激光熔覆层硬度值从表及里呈递减变化, 熔凝层的硬度最高达到863 HV0.1, 是锆合金基体(约为180 HV0.1)的4.8倍。

采用4 kW光纤激光器对厚度为4.5 mm的热轧700 MPa级纳米析出强化钢进行激光相变硬化处理, 主要研究激光功率、扫描速度对相变区组织、硬度及耐磨性的影响。结果表明, 激光相变区呈“月牙形”, 主要由三个部分组成, 由外至内依次是表面微熔区、相变硬化区和过渡区, 三个区域的组织依次分别为马氏体＋粒状贝氏体、马氏体和细小马氏体＋铁素体。激光相变硬化处理后相变硬化区和过渡区(统称“硬化层”)硬度得到提高, 平均硬度比基体提高了40～80 HV0.3。随着激光功率的增加或扫描速度的减小, 硬化层深度逐渐增加, 功率为3.5 kW时硬化层深度达到1.1 mm。当扫描速度为20 mm/s, 激光功率在2.0～3.5 kW之间时, 激光相变硬化后试样的耐磨性较基体提高了29%～44%。研究结果表明激光相变硬化可显著提高实验钢的表面硬度和耐磨性能。

为了提高齿形零件的耐磨性能, 采用半导体激光器, 选择特定的Ni基合金作为粘结剂, 在45#钢基体上制备了WC质量分数高达80%的无裂纹Ni/WC复合涂层。通过扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)和X射线衍射仪(XRD)对复合涂层进行组织和相结构分析。结果表明, 复合涂层组织均匀致密, WC硬质颗粒均匀分布在涂层中, 并且与Ni基合金元素形成多种碳化物, 聚集在WC颗粒周围或游离于涂层中。复合涂层主要由WC和W2C硬质相、γ-Ni、M7C3和M23C6等组成。

为了提高阀门密封面表面的耐磨性及抗汽蚀性, 以高性能阀门典型用316不锈钢为基体材料, 采用高功率宽带半导体激光器在316基体表面制备了Fe-C-Cr-Si-Mo合金熔覆层。通过显微硬度计、扫描电子显微镜、X 射线衍射仪、摩擦磨损试验机及汽蚀装置对熔覆层的硬度、显微组织、耐磨性和抗汽蚀性能进行了研究。结果表明, 采用优化后激光制造工艺参数, 可获得与基体具有良好冶金结合并且稀释率低的熔覆层。熔覆层平均硬度值达到640 HV0.2, 显著高于基体硬度170 HV0.2。熔覆层硬度较高, 晶粒细化形成了“骨架”支撑了表面以抵御磨损和汽蚀破坏, 从而使得熔覆层的耐磨性提高了3倍左右, 熔覆层磨损机制为磨粒磨损, 抗汽蚀性能较基体提高了2.8倍。

针对高端菜刀刀刃所采用的430不锈钢耐磨性不够、使用寿命较低的问题, 采用激光熔敷Ni35-WC硬质合金的方法对其进行改善处理。研究了不同熔敷工艺对熔敷层一次熔敷厚度和微观组织结构的影响。结果表明, 激光功率在1 600 W范围内, 激光功率越大, 一次熔敷层厚度越大; 氩气流量增大, 一次熔敷层厚度先增加后减小; 熔敷速度增加, 一次熔敷层厚度减小。含60% WC的Ni35-WC硬质合金粉末在激光功率为1 600 W, 熔敷速度为300 mm/min, 氩气流量为4 L/min时获得最理想的熔敷效果。一次最大熔敷厚度可达2.5 mm, 表面无裂纹, 达到了刀具开刃的理想厚度。熔敷层组织为细针状马氏体加少量残留奥氏体。平均显微硬度可达8.50 GPa, 摩擦系数小, 耐磨性好。

采用光纤激光器实现了高温合金GH3030的激光焊接。采用立体视显微镜和金相显微镜分别研究了接头的宏观形貌和微观组织, 并对焊后接头的力学性能做出评估。结果发现, 在合适的工艺参数下, 可以获得一个良好的激光焊接接头。热输入量的大小直接决定着焊缝的形貌。焊缝区的组织由胞晶组织和枝晶组织, 焊缝中心区含有少量的等轴晶组织。接头的室温平均抗拉强度为640.324 MPa, 达到母材强度的97%。

异种材料焊接是使零部件具有多功能的有效途径, 但材料性能差异导致焊接接头效果不佳。采用300 W的Nd∶YAG脉冲激光器, 对低碳钢和奥氏体钢进行激光焊接, 研究了激光焊接接头的微观组织、显微硬度及拉伸性能的变化规律, 探讨了微观组织与力学性能之间的本质关系。结果表明, 低碳钢的微观组织是铁素体+马氏体, 奥氏体钢的微观组织是具有孪晶结构的奥氏体。低碳钢-低碳钢焊接接头焊缝区显微组织是板条马氏体, 热影响区组织是马氏体+铁素体, 焊缝区硬度是母材的1.85倍, 拉伸断裂位置位于母材; 奥氏体钢-奥氏体钢焊接接头焊缝区的显微组织是等轴状和柱状奥氏体, 无明显的热影响区, 焊缝区硬度与母材持平, 拉伸断裂位置位于焊缝, 焊接过程中孪晶的消失使奥氏体钢塑性明显降低; 低碳钢-奥氏体钢的焊接接头焊缝区显微组织与奥氏体钢自身焊接组织一致, 仅在低碳钢一侧存在明显热影响区, 焊缝硬度高于奥氏体钢母材而与低碳钢母材持平, 拉伸断裂位置位于奥氏体钢母材; 三种焊接接头拉伸断裂方式均为韧性断裂。

开展了铝镁合金5A06激光－MIG复合焊接工艺试验, 研究了工艺参数对焊缝成形及内部质量的影响, 获得了改善焊缝成形质量和控制焊缝内部气孔的有效方法, 并对激光-MIG焊接接头进行力学性能测试, 显微硬度分析。结果表明, 在合适的工艺参数下, 激光－MIG焊对铝合金焊接接头气孔有明显改善作用, 焊缝成形美观, 接头内部质量良好, 接头抗拉强度可达母材强度的94.99％。

基于有限元预测模型, 构建了普通不锈钢低功率激光-双面TIG复合焊, 对低功率激光-双面TIG复合焊本身所具有的熔池形貌与循环规律进行了模拟分析, 同时对低功率激光-双面TIG复合焊体系进行了实际搭建, 并对比分析模拟结果。试验结果显示, 实际焊缝形貌与实测温度曲线、模拟温度曲线以及模拟焊接融合线具有良好的吻合度。

研究激光焊接对工业纯钛焊缝成形和力学性能的影响, 采用高功率Nd∶YAG激光器及焊接机器人, 通过焊接速度与激光功率的匹配, 研究了相同线能量输入条件下, 工业纯钛的激光焊接工艺。采用光学显微镜, 扫描电镜及拉伸试验机, 显微硬度测计等仪器对焊缝的微观形貌及力学性能进行了测试分析。试验结果表明, 焊缝和热影响区的显微硬度明显高于母材并且焊缝的硬度值最大, 焊接接头的抗拉强度高于母材。

为了获得汽车座椅调角器碟片激光器焊接的工艺参数, 采用正交试验的方法对调角器进行激光焊接试验与优化, 并对焊接后的截面金相图进行检测分析。试验结果表明, 最理想的焊接工艺参数为激光功率4 kW, 离焦量＋2.5 mm, 焊接速度3 m/min。在此条件下, 可得到成形良好无缺陷焊缝, 焊缝截面呈抛物线形。此试验结果可为企业高功率激光焊接工艺提供参考。

针对不锈钢薄板激光叠焊过程中易出现的焊穿、断弧、封闭曲线焊缝不均匀等问题, 采用正交试验法, 在不同的焊接速度、离焦量、激光功率曲线、保护气体条件下对厚度为1.2/1.2的不锈钢进行激光叠焊试验; 通过观察不同参数下得到的焊缝外观及对试件进行压力试验数据分析, 研究了工艺参数对激光叠焊成形性能的影响。试验结果表明, 焊接速度及功率曲线的设定是影响焊缝均匀性、焊穿的主要因素; 保护气体的种类及流量是影响焊缝断弧的主要因素; 离焦量对焊缝表面成形有一定的影响, 试验过程中发现在进行厚度为1.2/1.2不锈钢薄板激光叠焊时离焦量为＋1 mm时焊缝外观成形美观。

提出并研究了水环境下激光超声复合加工方法, 利用该方法对氮化硅陶瓷进行刻蚀加工, 加工时对试样施以高频振动。通过实验对比分析激光能量、脉冲宽度、重复频率和超声振动功率等工艺参数对Si3N4在超声振动辅助与无振动辅助情况下激光刻蚀后的深度及表面质量的影响。研究结果表明, 在一定工艺参数范围内, 超声振动的加入可明显增加激光超声复合刻蚀的深度, 提高光洁度及表面质量。

微射流水导激光加工是利用Nd∶YAG激光在微射流击穿阈值中全反射传输作用于加工工件上, 加工激光经过不同轴方向速度的微射流水导传输后以不同模式叠加, 其加工峰值和能量分布得到改变。实验中, 激光在微射流中分布峰值下降, 光强分布均匀, 加工效果相当于提高并展宽脉冲宽度,达到加工阈值。从理论上分析激光在微射流分布影响下能量分布变化, 并模拟水导激光加工及波导传输机理, 分析对于激光加工效率的影响。研究结果对进一步系统地提高改善微射流水导激光加工质量, 尤其在以该加工方式参与的激光精密、超精密加工中, 提高其应用范围有着重要参考价值。

蓝宝石具有高耐磨性、高硬度、高熔点及化学性能稳定等特点, 是重要的光学元件和半导体衬底材料, 广泛应用于工业、**和科研等领域。传统的机械加工易产生裂纹、碎片和刀具易磨损等问题, 化学刻蚀法的加工效率又较低。因此采用波长为1 064 nm的纳秒脉冲红外激光, 以CuSO4溶液作为工作液, 对激光诱导背面湿式刻蚀蓝宝石技术进行了加工工艺研究, 并利用共聚焦显微镜对激光加工后蓝宝石沟槽表面的形貌尺寸进行检测。同时通过单因素实验法研究了脉冲激光能量与扫描速度、重复次数、刻蚀液浓度以及液膜厚度对划槽尺寸和划槽质量的影响规律。实验表明使用20%的饱和CuSO4溶液, 在0.5~0.9 J/mm的线密度能量下8次扫描, 并使用430～1 400 μm的液层厚度有利于提高激光诱导液相沉积量, 加大激光划切深度, 获得质量较好的划槽。

提出了一种基于结构光投影在线测量大尺度物体的方法, 并给出了理论论证, 通过模拟测量发现, 分割子图像部分包含的变形条纹不是条纹周期的整数倍, 相位展开时不可避免出现错误, 造成拼接处误差比较大, 因此提出利用拼接处相邻相位展开正确的数据对拼接处的数据进行插值处理, 有效减小了误差, 验证了方法的可行性; 解决了动态大尺度物体三维面型测量受单个投影设备投影范围限制的问题, 在实际工程应用中, 精度要求不高的情况下, 可以用来对动态的大尺度物体进行三维建模。

由人工在生产线上进行汽车表面涂装的瑕疵检测和分类存在效率低、人工成本高等缺点。随着汽车生产自动化程度的提高, 迫切需要对检测过程实现自动化和智能化, 提出一种基于机器视觉方法, 利用图像纹理特征实现对汽车涂装瑕疵检测和分类。首先采用提取瑕疵局部二值模式(LBP)特征谱对汽车表面的喷涂瑕疵进行检测, 以克服背景光照和方向性对瑕疵特征检测的影响, 再利用Adaboost算法对选取的样本进行训练, 得到瑕疵种类分类器, 完成对检测结果的分类。通过实验所提出的方法, 对所选的几种典型瑕疵进行检测的有效率达到91%以上, 分类正确率平均达到82%以上, 单张图片检测时间控制在60 ms以下。

为系统地研究同向抽运光纤拉曼放大器的功率转换效率, 采用求数值解和求近似解析解两种方法得到相关结果, 并对其结果进行了比较。首先, 由耦合微分方程出发, 采用龙格库塔算法对功率转换效率进行数值模拟, 同时采用求近似解析解的方法推导出功率转换效率公式; 然后, 给出两种方法下各个参量影响功率转换效率的定量分析结果; 最后, 对分析功率转换效率的两种方法得到的结果进行了比较。结果表明, 两种方法下, 各参量对功率转换效率影响的总体趋势一致。功率转换效率都随着光纤长度增加而增加, 直到增加至一确定值而保持不变, 随着初始信号光功率、光纤拉曼增益系数数值增加而增加, 随着光纤有效面积、抽运光与信号光的频率比数值增加而减小; 功率转换效率和初始抽运光功率都呈抛物线曲线关系; 不同的是, 求解析解的结果大于求数值解的结果。求数值解的结果精确, 优于求近似解析解的结果。所得结论与文献相比有新的进展, 为光纤拉曼放大器功率转换效率的进一步研究提供了参考。

用脉冲激光在机械瓣膜上沉积类金刚石薄膜的实验中, 保持其它实验参数不变, 沉积时间分别取40 min和50 min来沉积类金刚石薄膜。用Raman光谱仪对机械瓣膜衬底和薄膜的微观结构进行检测; 用原子力显微镜对薄膜的表面形貌进行检测。结果表明: 机械瓣膜和薄膜的微观结构明显不同, 并且在其它实验参数不变的条件下, 沉积时间从40 min增加到50 min时, 薄膜中sp3/sp2的比值略微升高, 薄膜的密度略微增大, 薄膜中石墨晶粒的数量或体积几乎不变, 薄膜的表面形貌和粗糙度几乎不变。用脉冲激光沉积法在机械瓣膜上沉积出的类金刚石薄膜和机械瓣膜之间具有很好的黏附性。

目的: 探讨激光照射对寻常型银屑病患者外周血辅助性T细胞17(Th17)/调节性T细胞(Treg)和转化生长因子β1(TGF-β1)、白介素-6(IL-6)的影响。方法: 选择稳定期寻常型银屑病患者38例作为治疗组, 每周2次, 共治疗8周。另选健康体检者38例作为对照组。采用流式细胞术检测各组治疗前后外周血Th17细胞和Treg细胞百分比, 采用酶联免疫吸附法(ELISA)检测各组治疗前后血清中TGF-β1和IL-6的含量; 治疗前后运用银屑病皮损面积和严重指数(PASI)进行加权评分测定银屑病皮损面积和严重程度。结果: 经激光治疗后, 银屑病患者外周血Th17百分比、Th17/ Treg比值及IL-6水平均比治疗前有明显降低(P＜0.01)而Treg百分比和血清中TGF-β1含量比治疗前有显著升高(P＜0.01); 激光照射对寻常型银屑病有效率为92.11%, 治疗前后PASI评分有显著下降(P＜0.01)。结论: 准分子激光照射可改变寻常型银屑病患者外周血Th17/ Treg细胞失衡比值及相关细胞因子的表达水平。