为了实现块体和圆管的激光熔覆成形, 通过实验研究了扫描速度、激光功率和送粉速率对Ni25粉末单熔覆层的高度和宽度的影响规律, 建立了熔覆层高度和宽度分别与扫描速度、激光功率和送粉速率之间的对应关系。在此基础上, 根据对应关系, 选择优化的成形参数(扫描速度6 mm/s, 激光功率900 W, 送分速率0.1 rpm), 配合搭接率的计算(30%)和成形路径设计, 使用多层多道激光熔覆成形技术实现了块体和圆管的成形。使用扫描电子显微镜分析成形件的内部组织结构, 结果表明成形件内部组织致密, 成分均匀, 晶粒尺寸分布在18 μm左右范围内。

针对选择性激光熔化成型倾斜角度小的悬垂结构, 为了防止因为熔池自身重力和毛细管力而引起的粘粉、挂渣、过烧等缺陷, 必须通过添加支撑结构来保证悬垂结构的顺利成型以及成型质量。设计了可控多孔支撑结构, 优化激光扫描方式, 将可控多孔支撑结构应用于成型悬垂结构, 为成型倾斜角度小悬垂结构提供了一种方法。顺利成型倾斜角度小的悬垂结构和复杂曲面, 减少挂渣等现象, 降低了粉末的消耗, 解决了倾斜角度小的悬垂结构无法成型的难题。

探究了使用同轴送粉激光直接沉积增材制造方法制造18Ni(300)马氏体时效钢零件的可行性。采用正交实验设计, 分析了不同工艺参数对单道成形的影响, 发现扫描速度、送粉速率、激光功率对稀释率的影响较大。在单道多层试验中发现在合适的参数下18Ni(300)能获得良好的外观成形, 但内部仍然容易出现非致密性缺陷。激光直接沉积制造过程的高冷却速率使得晶粒最小可以达到8 μm, 晶粒生长方向大致与散热方向相同, 但在层间位置存在晶粒转向区, 而在顶部存在柱状晶/等轴晶转变区。在扫描电镜下发现由于加工过程中热循环的特点, 先沉积层出现了析出相造成了硬度值的变化。硬度试验发现, 越靠近基材的硬度值越高, 最高可达358 HV。

以Fe60合金粉末为原材料, 通过添加1%～5%的SiC形成复合合金粉末, 利用激光直接沉积技术在Q235钢表面制备SiC增强Fe60合金高耐磨涂层, 主要应用OM、SEM、EDS、XRD、显微硬度测试和摩擦磨损等分析手段对样品的组织结构及性能进行了研究。结果表明, 在优化的激光工艺参数: 功率1 700 W、扫描速度6 mm/s、送粉量8.8 g/min、搭接率30％、光斑直径4 mm×4 mm和300 ℃预热等条件下, 成功制备出了无裂纹缺陷厚度达到6 mm的Fe基合金涂层; 沉积层组织由等轴晶、枝晶、柱状晶组成, 主要由α-Fe、γ-Fe及Cr23C6、Fe2B、Cr3Si原位增强相组成; 发现在300 ℃温度下预热能够有效消除制备高C高Cr含量Fe基涂层易出现裂纹的难题; 当SiC添加量为3％时, 制备涂层具有最高的硬度达到1 072 HV, 比未添加SiC的合金涂层提高了284 HV, 具有良好的耐磨性能。

采用激光熔覆技术在钛合金基体表面制备了Ni/Ti涂层和Ni/Ti-Al2O3涂层。利用扫描电镜、能谱分析仪和X射线衍射仪对涂层的显微组织、成分和相组成进行了分析。结果表明, 涂层与基体的结合区域有明显的光亮线, 涂层与基体呈现出良好的冶金结合,涂层的显微组织由白色光亮带组织和黑色组织构成, Ni/Ti涂层中主要的物相有NiTi2和NiTi两相, Ni/Ti-Al2O3涂层主要的物相则为NiTi2、Ti和Al2O3相。

基于中空激光光内送粉技术,利用该技术粉末流发散小, 挺直度高的特点, 进行了垂直表面(立面)熔覆试验。分析了熔覆工艺参数(扫描速度、功率、送粉量)对立面熔道宽度、高度及宽高比, 特别是重力作用下的熔道顶点下垂量的影响规律, 得出了控制下垂量的最佳工艺参数组合。在立面进行水平方向的熔道堆积生长, 实现了立面斜壁墙的成形。成形过程稳定, 成形熔覆层与基体形成冶金结合, 显微组织细密均匀。

以核桃壳粉末颗粒为原料, 研究并制备了一种用于选择性激光烧结技术的可持续性、低成本核桃壳/Co-PES复合粉体(WSPC), 采用选择性激光烧结技术制备WSPC复合粉体激光成型件, 利用扫描电镜(SEM)表征粉体颗粒形貌、成型件断面形貌以及颗粒间结合状况。探讨了核桃壳粉末颗粒与Co-PES粉末颗粒尺度配置对WSPC复合粉体激光成型件密度、力学性能以及表面质量的影响。结果表明, 当Co-PES粉末颗粒一定时, WSPC复合粉体激光成型件的表面质量会随着核桃壳粉末颗粒的增大而降低, 但密度与力学性能会随着核桃壳粉末颗粒的增大而增加。

以5.0 mm厚高强钢板为试验材料, 进行了CO2激光-熔化极活性气体保护焊(Metal active gas, MAG)电弧复合焊接试验。采用高速摄像系统观测熔滴形态的变化以及过渡模式, 并采集焊接过程中的电弧和熔滴图像, 通过试验深入研究激光功率与电弧功率匹配对复合焊接过程中焊接稳定性、焊缝形貌、熔滴形态以及过渡模式的影响。研究表明, 当电流为200 A, 电压27 V时, 激光功率变化过程中, 熔滴过渡处于射流过渡状态, 焊缝表面形貌较好, 焊缝平滑连续, 没有明显缺陷; 其他参数不变, 随着激光功率增大焊缝熔深增大, 随着电弧电压与电流增大熔宽增大; 当I＝180 A, U＝26 V时, 电弧弧柱面积增大, 激光对电弧吸引作用增强, 促使熔滴过渡比较稳定, 使熔滴作用点与激光作用点完全重合。

采用波长为1 080 nm的光纤激光, 对厚度为0.3 mm的304不锈钢超薄板进行连续激光搭接焊。在6 m/min, 0离焦下, 600 W可以焊透; 超薄板焊接速度可以达到10 m/min以上而不会产生驼峰等缺陷。同时, 进行了焊缝显微组织的研究。当热输入量较小时, 冷却速度较大, 焊缝为全奥氏体; 当热输入量变大后, 焊缝中会夹杂有少量的铁素体。焊缝组织表现为一种“斑块”块状组织, 柱状晶不明显, 柱状晶由不规则的“斑块”状组织代替, “斑块”由焊缝边缘向中间生长并在焊缝中心交汇, 焊缝中心并无等轴晶的形成。区域硬度由高到低依次为母材、热影响区、焊缝, 且热影响区为应力薄弱区。扫描电镜显示拉伸断口形貌为韧性断裂, 接头抗拉强度为620 MPa。

带筋整体壁板正代替传统装配壁板成为航天领域的重要结构件, 但由于筋条的约束作用, 其成形较为困难。激光喷丸成形因具有高应变率效应和较强成形能力, 是解决带筋整体壁板成形的重要工艺途径。详细阐述了基于固有应变的带筋壁板激光喷丸成形建模方法, 以航天典型网格壁板为例比较了三种不同建模方法的运算效率和精度。证明梁单元模型的计算分析效率相对较高, 壳单元适用分析筋条与壁板之间的相对变形。将上述模型应用于带筋壁板激光喷丸成形变形预测, 针对单筋壁板和网格壁板两种特征带筋壁板, 分析了筋条截面和筋条分布对带筋壁板激光喷丸成形结果的影响。证明网格壁板双向弯曲差异不大, 单向筋条有利于成形单曲率曲面, 且筋条高厚比和宽高比越小沿筋条方向直线性越好。

研究了20#钢光纤激光焊接工艺对焊接质量的影响。研究发现, 随着激光功率的增加, 焊缝背面熔宽显著增加, 焊缝由钉形向近X形转变, 焊接过程中产生的飞溅增多; 随着焊接速度的增加, 焊缝变得“细小”, 焊缝正面咬边情况加重; 离焦量在－2～＋2 mm范围内变化对焊缝形貌和焊缝熔宽的影响不明显, 相较于在正离焦量和零离焦量下焊接, 负离焦量时焊接过程中产生的飞溅较多。在所有实验设定的参数范围内, 焊缝内部质量优良, 无气孔、裂纹等缺陷, 接头拉伸断裂位置均在母材, 焊缝强度能够得到保证; 焊缝区组织为板条状马氏体组织, 硬度在440 HV左右, 远高于母材(约160 HV)。

分别采用纳秒激光器和毫秒激光器对0.2 mm不锈钢进行搭接焊接工艺研究。在纳秒激光焊接工艺优化试验中, 对激光功率, 脉冲宽度, 焊接速度三因素进行正交试验, 在毫秒脉冲激光焊接工艺实验中, 对激光峰值功率, 脉冲宽度进行优化试验。结果表明: 在下层材料背面无痕迹的前提下, 在各自的最佳工艺参数条件下, 纳秒焊接的单点最大拉力可达36.8 N, 毫秒焊接最大拉力为23.3 N。对焊点切片分析表明, 纳秒焊接的焊点截面成“束状”, 相对于毫秒激光焊点截面的“U”形, 上下两层材料之间的熔合面积较大。

为提高2219铝合金的焊接性能, 采用激光清洗工艺对经阳极氧化处理的2219铝合金板材进行焊前预处理。通过研究清洗速度与表面形貌的关系, 阐述了激光清洗对氧化层的作用机制。根据表面形貌以及能谱分析结果可知, 激光清洗可有效地清除2219铝合金表面的氧化层, 而且激光清洗速度直接影响着氧化层去除效果, 这主要是由于铝合金氧化膜激光清洗存在清洗阈值和损伤阈值。当清洗速度为3.5 m/min时, 清洗效果最佳。TIG堆焊结果表明, 经激光清洗后2219铝合金焊接性能得到明显的改善, 堆焊焊缝内气孔明显减少, 达到Ⅰ级焊缝要求。

以20 mm厚度钢板为研究对象, 系统对中厚板激光切割的不同工艺参数对切缝质量的影响规律进行了研究。结果表明, 切割速度为0.5 m/min, 喷嘴工作距离为1.5 mm, 激光功率为5 500 W时, 效果较理想, 大部分切缝背面无粘渣, 当切割时将氧气压力值调至0.15 Mpa时, 切割的效果较好, 并且大部分的激光离焦量与其可以进行匹配, 切割后的切缝无粘渣效果优良。在喷嘴工作距离为20 mm, 切割后能够产生无粘渣效果的工艺区间不是很宽。切割时的切割氧气压力在0.10 MPa～0.15 Mpa, 激光离焦量在5 mm～20 mm的附近区域时才会有无粘渣效果。在钢板背面有涂层时, 切缝背面基本无粘渣, 即使有少部分渣残留, 清除也比较容易。

针对青铜金刚石砂轮V形凹面修整困难的问题, 利用光纤激光切向整形法, 得到修整青铜金刚石砂轮V形凹面新的技术方法。在分析激光切向整形作用机理的基础上, 确定关键激光工艺参数。采用超景深三维显微镜检测磨削后的石墨板, 间接采集V形凹面砂轮的特征。研究不同激光工艺参数对V形凹面修整效率的影响规律, 及不同重叠率对青铜金刚石砂轮V形凹面的几何特征参数的影响规律。研究结果表明, 激光平均功率与激光光斑重叠率对修整效率影响较大, 近似呈正比例关系; 合适的重叠率有利于减小形状误差PV值(最小形状误差PV值为36 μm); 相比激光扫描轨迹线重叠率, 激光光斑重叠率对修整后成形角度和V形凹面尖角半径值影响更大, 激光光斑重叠率越大, 成形角度与V形凹面尖角半径值越大; 修整后砂轮形状误差均可控制在5%以内, 初步验证了脉冲激光切向修整V形凹面青铜金刚石砂轮的可行性。

利用纳秒级脉冲激光对304不锈钢表面进行着色试验, 建立激光作用于金属表面的热作用模型, 利用EDAX分析着色不锈钢表面金属元素质量比变化, 探究激光热作用对304不锈钢表面着色效果的影响及不同热作用过程下的金属表面氧化的规律。结果表明: 纳秒激光金属彩色着色过程中存在“激光脉冲直接作用过程”和“激光脉冲扩散热作用过程”两个不同机制的热作用过程。在快速加热和快速冷却的“激光脉冲直接作用过程”中不锈钢表面更容易产生Cr氧化物; 在以扩散热为主导的“激光脉冲扩散热作用过程”中不锈钢表面更容易产生Fe氧化物。

研究出飞秒激光加工法布里-珀罗(F-P)腔的方法, 并且将F-P腔和单模光纤焊接起来形成微型非本征光纤F-P干涉(EFPI)应变传感器。实验分析了激光能量与腐蚀对F-P腔深度的关系, 设计传感器的加工步骤, 对光纤法布里-珀罗传感器的应变特点进行讨论。实验显示, 这种构造的干涉传感器加工流程不复杂, 对于微小形变具备较好的灵敏度与可重复性, 其应变灵敏度为0.00466 nm/uε。所以, 这种新型的EFPI应变传感器具有良好的稳定性和可重复性, 在改变生产工艺和在复杂工况环境中的使用具有较好的工程应用前景。

对水射流辅助激光复合多道切割Al2O3陶瓷工艺进行了实验研究, 并探讨了在激光参数和水射流的其它参数一定的情况下, 分析水射流速度对水射流激光复合多道切割Al2O3陶瓷切缝质量的影响。研究结果表明: Al2O3陶瓷的切缝质量随着水射流流速的增大先提高后下降, 存在一个最佳的射流速度使得切缝质量最高, 试验中最佳水射流速度16 m/s。

采用高能激光束对岩石表面进行照射, 通过对实验中孔径、孔深、去岩量、去岩效率等参数的测量与计算, 研究激光功率及辐照时间对花岗岩预钻孔效果的影响。结果表明, 随激光功率增加, 破岩孔径、去岩量、去岩效率增加, 孔深出现波动, 钻孔速度变化不大; 随激光辐照时间增加, 破岩孔径、孔深、去岩量增加, 激光钻孔速度、去岩效率明显下降。该实验条件下, 激光功率越大, 辐照时间越长, 去岩效果越好; 激光功率为1 000 W时, 钻孔效果较好。

248 nm准分子激光直接刻蚀钠钙玻璃微通道来制作生物芯片具有较大优势和潜力, 但目前存在易发生碎裂、微通道底面处粗糙度高等问题。采用248 nm准分子激光束以静态刻蚀及扫描直写刻蚀两种方式刻蚀钠钙玻璃来对低裂损工艺进行研究。首先通过实验研究了激光加工玻璃的工艺参数与玻璃微通道的刻蚀质量之间的关系, 然后分析了248 nm准分子激光刻蚀钠钙玻璃的裂损刻蚀机理, 最后通过变换工艺参数来设计新的加工工艺流程以改善加工质量。实验结果表明, 随着刻蚀处激光能量密度的增加, 玻璃微通道的边缘裂损程度增大, 并且刻蚀表面粗糙度增大, 刻蚀质量下降; 另外发现激光刻蚀后的粗糙表面可以增加玻璃材料对入射激光能量的吸收率, 从而降低了激光刻蚀玻璃材料的阈值, 较低的激光能量密度可降低刻蚀面的粗糙度。最后工艺流程改进实验, 所加工的微通道质量得到改善, 玻璃微通道边缘裂损尺寸小于5 μm, 底面粗糙度Ra值可降低至1.5 μm, 研究结果将对激光加工玻璃微结构的质量改善提供一定的参考。

传统的半导体工艺制作微流体系统中微通道, 只能对材料进行表面加工。飞秒激光具有极高的峰值功率和超短的脉冲持续时间, 能够对材料直接进行三维加工, 为高效率、高质量的微通道加工提供了可能。通过研究飞秒激光加工参数, 包括激光脉冲能量、扫描速度和偏振态对玻璃微通道的选择性腐蚀比影响规律, 发现当激光脉冲能量在2～10 μJ变化时, 微通道宽度变大, 2 μJ时微通道长宽选择性腐蚀比L/D高于其它脉冲能量参数, 但随着腐蚀时间的延长, 宽度变化越来越小, 最后趋于稳定; 当激光扫描速度在0.20～0.45 mm/s之间变化时, 随着腐蚀时间的延长微通道长宽选择性腐蚀比L/D逐渐增大, 但当速度增加到0.35 mm/s左右时选择性腐蚀比L/D增到最大, 此后呈现下降趋势, 同样随着腐蚀时间的延长, 腐蚀通道的宽度变化越来越小, 逐渐趋于平稳; 当偏振态从线偏振到圆偏振变化时, 线偏振时的微通道长宽选择性腐蚀比L/D更大。实验结果表明: 获得较大微通道长宽选择性腐蚀比L/D的最优加工参数为激光脉冲能量2 μJ, 激光扫描速度0.35 mm/s, 线偏振。

为了改善激光3D木材浮雕的雕刻质量, 系统研究了工艺参数和后处理对激光3D木材浮雕的雕刻质量影响规律, 确定最佳的工艺参数; 通过单因素试验, 研究每一种加工参数对雕刻质量的影响; 通过正交试验对工艺参数进行优化, 获得激光浮雕最优工艺参数; 通过碳化层处理实验, 研究了H2O2浓度对碳化层厚度的影响。研究结果表明, 激光3D木材浮雕最佳工艺参数为: 扫描速度2 500 mm/s, 重复频率16 kHz, 激光功率63 W, 填充线间距0.08 mm, 雕刻层厚0.08 mm, 浮雕与模型的还原度最高。当H2O2浓度为20%时, 碳化层处理效果最佳。

大幅面激光演示拼接技术是非常重要的激光演示拼接技术。介绍了多台激光机大幅面激光演示拼接的原理, 分析了设备性能对激光演示质量的影响, 研究了基于pangolin激光表演软件的大幅面激光复杂动画演示需求的拼接方法, 并对影响拼接的各项因素进行了探讨, 优化了大面积激光演示拼接技术。大幅面激光演示拼接技术研究, 为激光表演在大型场合的应用提供了必要的技术支持, 提高了激光演示的表现能力, 达到更好的视觉效果。

以建立的铁路罐车回波强度D模型为基础, 采用高感应激光标靶, 对检定周期内铁路罐车(箱)进行以入射角为代表的几何量特性扫描影响分析, 并通过点云均布率和再现率直观判断扫描效果, 最后以不同入射角扫描模型计算铁路罐车容积, 并与较高等级容积量传法比较, 结果显示, 基于铁路罐车工况, 35°入射角进行扫描的扫描效果较好, 测量准确度高, 测量重复性较好, 较容量比较法更加接近。进行测量不确定度评定, 测量结果的相对扩展不确定度为3×10-3, k＝2, 为三维激光扫描铁路罐车相关技术的研究提供一定的理论与技术参考。

基线漂移是目前光谱仪收集拉曼光谱时难以避免的现象。在应用拉曼光谱进行定性、定量分析过程中, 基线漂移会给光谱分析带来不利影响, 为增强分析结果的准确性和稳定性, 需要对拉曼光谱进行基线校正预处理。为了校正基线漂移, 提出一种动态移动最小二乘多项式平滑(DMSG)的方法拟合背景基线, 自动识别原始光谱的谱峰区域和非谱峰区域的子区间, 从而在每个拉曼光谱子区间中自动控制平滑迭代次数与窗口宽度, 逐渐将拉曼谱峰数值逐渐拉低到与基线同等量级, 最终得到整个光谱的基线估计。将该算法应用于模拟和实际拉曼光谱进行基线校正, 结果表明该算法无论对模拟的拉曼光谱还是真实拉曼光谱, 都有较好的基线校正效果, 为进一步分析光谱数据提供更准确的信息, 是一种可行的基线校正方法。

在车牌识别技术中, 车牌图像的二值化处理是字符分割的关键技术。分析了传统基于灰度二值化方法在特殊场景中应用的缺陷, 提出了一种基于Laplacian扩展算子的二值化方法, 该方法首先通过计算出车牌图像的边缘灰度分布特征, 然后进行自适应阈值三值化处理, 获取黑、白、灰三值图, 再结合车牌颜色信息, 准确判定字符与背景, 实现图像二值化。对于存在阴影覆盖和局部过曝光等现象的车牌图像, 该方法能够充分保留笔画的完整性, 显著提高车牌图像的二值化效果。