为了对岛式扫描策略在激光熔化沉积中的适用性进行验证, 采用正交连续扫描进行对比, 研究分析了岛式扫描对TC4成形件基底变形及性能的影响。结果表明, 相比于正交连续扫描, 随机跳转岛式扫描策略可大幅减小基底变形, 其较快的冷却速率还将细化析出的网篮α晶粒, 并抑制β晶粒的粗大生长, 但是区域交接处容易产生未熔合孔洞缺陷, 使得成形件抗拉强度与屈服强度有所提升, 但塑性有所削弱。

为研究工艺参数对激光选区熔化纯铜粉末成形件上表面粗糙度的影响, 采用正交实验对纯铜粉末进行了激光选区熔化成形研究。分析了铺粉厚度为0.05 mm时, 工艺参数对成形件上表面粗糙度的影响规律及影响机理, 确定了各工艺参数对上表面粗糙度影响的主次顺序为扫描间距＞扫描速度＞激光功率＞扫描路径, 得到最优的工艺参数组合为激光功率 380 W, 扫描速度 600 mm/s, 扫描间距 0.05 mm, 扫描方式选择正交形。结果表明: 在因素水平范围内, 成形件上表面粗糙度随激光功率的增大而减小, 随扫描速度、扫描间距的增大而增大, 采用正交形的扫描路径可得到相对低的表面粗糙度。体能量密度在180 J/mm3至200 J/mm3之间时, 上表面粗糙度最低。

采用激光沉积制造技术制备TA15钛合金裂纹扩展速率(da/dN)以及平面应变断裂韧度(KIC)试样, 采用金相显微镜(OM)以及扫描电子显微镜(SEM)观察微观组织与断口形貌。结果表明: 沿沉积高度方向, 组织呈现典型的β晶粒外延生长, β晶粒内部为α/β片层及集束组成的网篮组织; 三种扩展方向下, YOZ面裂纹扩展速率最快, XOY面裂纹具有较低的扩展速率; 平面应变KIC受裂纹预制扩展方向和β晶粒位向影响, 表现为各向异性。裂纹扩展平面垂直β柱状晶时, KIC最大达86.36 MPa·m1/2, 当β柱状晶位于裂纹扩展平面内, 且平行于裂纹扩展方向时, KIC值为77.19 MPa·m1/2, β柱状晶垂直于裂纹扩展方向时, 其对裂纹阻滞作用弱, KIC最小为56.16 MPa·m1/2。

针对TC4钛合金材料进行选区激光熔化单道扫描和多道搭接工艺实验。通过改变激光功率和扫描速度来探究工艺参数对TC4成形效果和表面形貌的影响机理。对实验中出现的断续、球化、鱼鳞纹和“爆粉”等现象进行分析和优化。结果表明, 激光功率和扫描速度对熔道宽度和高度有较大影响, 选择合适的工艺参数窗口才能得到连续干净的熔道。熔池的对流运动会导致鱼鳞纹状凝固痕迹, 且随着扫描速度增加, 鱼鳞纹由圆润变得尖细。能量密度对多道搭接成形表面球化颗粒有较大影响。能量密度过大会导致“爆粉”现象, 可以通过降低激光功率或提高扫描速度来预防。

在航空航天等领域, 针对各类磨损和损伤零件的激光沉积修复技术具有重要的经济价值。对于曲面外形零件的等厚修复, 如采用平面切片扫描轨迹方式, 将难以保证目标外形的整体质量。提出一种包络曲面外形的扫描轨迹生成算法: 首先求解出一条测地线作为参考曲线, 然后迭代求解参考曲线的若干条平行曲线, 最后将所有相邻曲线首尾相连, 从而构成一条蛇形往复扫描轨迹。并通过算法程序编写、实例测试和应用试验, 验证了该算法的合理性、准确性和实用性。

天然鳞片石墨粉末成型工艺性不佳, 这极大地限制了其工程应用范围。在制备石墨/酚醛树脂混合粉末基础上, 利用选择性激光烧结成型技术快速制备了复杂石墨结构件。研究了不同的激光能量密度, 不同的分层厚度等对石墨成型件的抗弯强度和成形精度影响。研究发现, 增大激光能量密度或减小分层厚度有利于保证石墨原型件的结构完整性, 但过大的激光能量密度或过小的分层厚度会导致石墨原型件Z轴方向的几何特征变形失真。通过正交实验确定了最优工艺参数组合, 快速制备了多孔石墨骨架。

飞机大型化是航空未来的趋势, 复合材料的大量使用促进了钛合金材料的使用, 大型钛合金结构的成型及制造困难一直困扰着航空制造业, 钛合金激光成形技术是以金属粉末为原料, 通过激光熔化沉积来形成零件结构的一种新型制造工艺, 其促进了飞机大型复杂结构的设计及制造。通过分析激光成形技术在大型钛合金结构制造上的应用, 表明了激光成形技术对未来大型钛合金结构制造的优势, 对钛合金应用及制造具有重要意义。

第三代核电技术中, 堆内核心构件堆芯围筒的焊接制造技术是一个急需攻克的难题, 由于工件尺寸大, 尺寸精度要求高, 需探索采用万瓦级激光焊接一次成形技术, 此前这类产品的激光单道焊接在国内外尚无成功的案例。对万瓦级光纤激光深熔焊接厚板焊接缺陷的抑制方法进行了研究。结果表明, 离焦量是万瓦级光纤激光深熔焊接厚板过程中一个关键工艺参数。负离焦时, 匹配优化离焦量和焊接速度可以有效抑制缺陷获得成形良好的全熔透焊缝; 背保护气体不仅改善了焊缝下表面成形, 同时改善了焊缝上表面成形使整个焊缝截面呈“I”型; 侧吹气体射流辅助激光深熔焊接, 可以较好抑制钉子头焊缝和上表面飞溅的产生; 采用横焊焊接方位时, 可以有效抑制焊缝塌陷与底部驼峰的产生。成功实现了15 kW 光纤激光单面自熔焊接双面成形18 mm厚不锈钢, 并实际应用于焊接生产堆芯围筒。

Laser-MAG复合焊接具有焊接速度快、自动化程度高、焊接热变形小等优点, 是船舶焊接技术发展的重要方向。采用 Laser-MAG复合焊接方式, 通过改变两种热源的相对位置, 对10 mm厚船用高强钢EH36进行了堆焊试验。研究了激光引导电弧(L-A)和电弧引导激光(A-L)两种行走方式以及激光与电弧之间夹角大小对焊缝成型的影响。结果表明, Laser-MAG复合焊接中, A-L焊接方式相较L-A焊接方式对焊缝表面成型更有利, 成形更均匀, 但飞溅量更大, 其焊缝熔宽较小, 熔深较大; 无论是L-A还是A-L焊接方式下, 焊枪与竖直方向夹角越大, 焊缝成型越不稳定、飞溅量越大, 但焊缝熔深几乎不受其影响。

采用5183焊丝作为填充材料, 对3 mm厚的5083铝合金对接接头进行光纤激光填丝焊接实验。分析了离焦量、焊接速度、送丝速度和激光功率对焊缝成型及强度的影响,并对最优焊缝进行了金相组织、显微硬度、力学性能的检测分析。结果表明, 采用离焦量0 mm, 激光功率4 100 W, 焊接速度4.2 m/min, 送丝速度3 m/min的工艺参数焊接3 mm厚5083铝合金, 可获得高质量焊缝, 焊缝硬度达HV 60以上, 未出现接头软化, 拉伸试验断裂位置为母材, 焊缝强度高于母材。

钛、铝异种金属物化性能差异较大, 焊接过程中易生成较厚的脆性金属间化合物, 弱化接头性能, 激光焊接速度是钛、铝异种金属焊接的关键。采用1 000 W光纤激光器对1 mm厚的LD2铝板和TC4钛板进行对接焊实验。实验重点研究激光焊接速度对脆性金属间化合物厚度的影响, 从热力学条件出发解释生成金属间化合物的可能性, 与XRD检测结果一致, 研究表明, 焊接速度为20 mm/s时, 生成14 μm左右厚的金属间化合物Ti3Al和TiAl, 抗拉强度仅有173 MPa; 当焊接速度为80 mm/s时, 获得了良好的焊接接头, 生成了4 μm左右的TiAl3化合物, 断裂伸长率为.42%, 最大抗拉强度可达242 MPa。

采用4 kW ROFIN光纤激光器对厚度为0.5 mm的430不锈钢进行拼焊, 利用数码显微镜、光学显微镜、维氏硬度计和万能试验机等设备研究了激光焊接工艺参数对焊缝成型、显微组织和机械性能的影响规律。结果表明, 430不锈钢薄板连续光纤激光焊工艺参数的选择应遵循大离焦、高速度和小功率的规律, 在离焦量、焊接速度和激光功率分别为＋10 mm, 4.8 m/min, 1 000 W时可获得焊缝成型良好, 热影响区小、无裂纹和气孔的焊缝, 焊缝抗拉强度优于母材, 杯突试验得出焊接接头塑性为母材的96%。

为了解决液体火箭发动机异种材料零件间的连接成型问题, 采用光纤激光对5 mm厚的GH4169高温合金与1Cr18Ni9Ti不锈钢在不同的焊接工艺参数下进行激光焊接正交试验, 并对焊缝进行X射线检测, 显微金相组织观察及拉伸性能测试, 检测结果表明: 激光功率为4.0 kW, 焊接速度为1.6 m/min, 离焦量为-3 mm时, 可获得内部气孔数量最少的焊缝; 激光功率取4.0～4.4 kW, 焊接速度取1.6～2.0 m/min, 离焦量取-3～-1 mm范围内的焊接参数组合时, 均可获得常温拉伸性能优于1Cr18Ni9Ti母材, 600 ℃拉伸性能与1Cr18Ni9Ti母材相近的焊缝。

采用300 W准连续激光器对1.0 mm 厚的304不锈钢板进行拼接焊接试验, 对激光焊接工艺参数进行正交优化试验, 工艺参数为峰值功率3 000 W, 脉冲宽度6 ms, 离焦量2 mm时, 焊接接头达到最佳的抗拉强度为723.6 MPa, 高于母材。对焊缝微观组织进行分析, 焊缝中心位置呈细小等轴晶。

选取几种典型的 PCD、PCBN 复合片, 采用QCW光纤激光对其进行了多次切割工艺试验。运用三坐标测量仪、三维显微镜对激光切割加工后复合片的表面粗糙度、加工质量等进行测量。结果表明, 经QCW光纤激光切割后的复合片, 切割缝宽均在0.18～0.2 mm左右, 崩边尺寸和热影响区域在0.1 mm左右, 切割截面粗糙度为Ra 30～50 μm。从切割效率上来看, 对于1.6 mm复合片, QCW光纤激光切割PCD效率可达12～15 mm/s, PCBN可达8～10 mm/s, 而市面上的YAG激光切割效率普遍为1～2 mm/s, 即在切割质量相同的情况下, QCW光纤激光切割效率是YAG激光的6倍, 但QCW光纤激光切割设备价格只比YAG激光设备略贵。因此, 采用QCW光纤激光切割PCD和PCBN复合片具有显著的优势。

由于铝合金易自然氧化, 影响焊接质量, 采用波长为1 064 nm, 脉宽为10 ps的皮秒脉冲激光器对5A06铝合金表面氧化膜进行了激光清洗工艺试验, 研究了激光平均功率、光斑重叠率、扫描轨迹重叠率和辅助气体等工艺参数对清洗表面质量的影响规律。结果表明, 当激光平均功率为100 W, 光斑重叠率和扫描轨迹重叠率为40%时, 能够在保证清洗质量的前提下获得最大的清洗效率, 在较低功率清洗时需要较高的重叠率才能达到较好的清洗质量, 在氩气中清洗可以有效避免铝合金表面的二次氧化。

采用脉宽为10 ps的皮秒激光对热轧Q235钢板进行了除锈工艺试验研究, 通过单因素试验法, 得到了激光平均功率密度、光斑重叠率及扫描轨迹重叠率对去除效果及表面形貌的影响规律, 并获得了优化的工艺参数。结果表明, 过大或过小的激光平均功率密度会致使工件二次氧化或除锈不完全; 当光斑重叠率与扫描轨迹重叠率同为30～40%时会获得较好的除锈效果; 采用高、低能量密度交替的清洗方式可以获得相比固定参数清洗更好的清洗效果, 同时可以提高清洗效率。最后利用优化参数清洗得到的工件表面氧元素含量相比未除锈工件降低了92%。

针对单晶金刚石加工难的问题, 采用脉宽为250 fs的飞秒激光器, 开展了不同工艺参数下的单晶金刚石晶体飞秒激光烧蚀试验研究, 同时采用超景深显微镜检测单晶金刚石烧蚀的宽度、深度及表面质量, 研究了激光平均功率、光斑重叠率和扫描次数对单晶金刚石烧蚀深度、宽度及表面质量的影响。结果表明, 飞秒激光成型烧蚀加工单晶金刚石时, 当采用激光平均功率为11.1 W, 光斑重叠率为61.9%, 循环扫描次数为100次作为最佳工艺参数组合时, 能够获得具有较高表面质量的最大烧蚀效率, 通过激光分层成型烧蚀, 在单晶金刚石片上加工出大小、突出高度和排布方式可以精确控制的锥形阵列, 制造出无需结合剂的高品质端面金刚石砂轮。

利用激光作为热源可对发生热应力变形的板材进行矫形, 对于发生热变形的中厚板材, 其内部不可避免的会存在初始残余应力。为研究初始残余应力对板材激光热矫形过程中应力场的影响, 基于ANSYS有限元分析平台对板厚为8 mm的高强钢Q345板材热变形的激光热矫形应力应变场进行了数值模拟分析。分析结果表明, 上表面初始残余拉应力较大时, 在加热过程中加热区域会首先发生一定程度的拉应变。相同变形及矫形工艺条件下, 初始残余应力存在情况下的矫形量小于不考虑初始残余应力情况下的矫形量, 下表面残余拉应力对板材变形过程具有阻碍作用。对矫形前后板材表面应力分布变化进行分析, 认为上表面激光扫描区域的初始残余应力对最终残余应力水平影响较小, 而下表面的初始残余应力水平会影响其最终应力的分布情况。

激光表面淬火技术具有高效、高质量、绿色环保的优点, 广泛应用于工业生产之中。为避免相邻两道激光之间回火区域的特性对淬火质量的影响, 利用有限元仿真分析的方法对H13钢高温回火区特性进行分析, 找出激光扫描速度、光斑大小、激光功率以及相邻两道激光的搭接率对高温回火区特性的影响。研究表明, 硬化层有效深度由二次淬火区深度决定, 二次淬火区和硬化层宽度随着激光功率、搭接率的增加而增加, 与光斑直径、光斑扫描速度呈相反趋势变化。通过实验对分析的结论进行了验证, 结果表明, 分析得到的数据和实验得到的数据变化趋势相同, 在边界条件比较精确的条件下, 可以用数值模拟的方法分析工件激光表面淬火工艺。

为了掌握在激光冲击波作用下薄膜零件的翘曲变形规律, 采用有限元软件ABAQUS, 模拟了在不同的加载压力和不同的顶块材质情况下, 薄膜零件在超高应变率下的变形特性。模拟结果表明, 顶块材料的强度会影响残余应力分布和薄膜零件的翘曲变形。较低强度的材质可以获得分布状况较好的表面层残余应力场, 当以刚体(超强材料)为顶块时, 薄膜产生反向变形(呈凸状), 且其变形量随着激光冲击峰值压力的增加而增大, 而以较低强度材质为顶块时, 薄膜趋于正向变形(呈凹状)。

线结构光扫描是一种非接触式三维探测技术, 在成像、测距等诸多领域具有广泛应用。针对旋转扫描系统引起的三维成像弯曲现象, 基于三角法成像原理, 提出了一种激光线扫描图像矫正算法。设计了旋转线扫描三维成像系统, 对距离2.7 m的目标进行了矫正实验, 矫正前图像直线度误差是0.36 m, 矫正后该误差低于0.02 m。实验结果验证了该算法对图像弯曲矫正的有效性。

近年来离轴正支共焦非稳腔被广泛用于大功率板条结构激光器, 由于其横向尺寸较大, Collins公式的计算精度需要验证。通过Fox-Li迭代, 对比了采用Collins公式和直接利用菲涅尔-基尔霍夫衍射公式计算的输出模式, 数值研究了几何放大率M和有效菲涅尔数Neq对Collins公式计算精度的影响并分析了原因。结果显示, 计算误差主要集中在光轴附近, 复振幅巨大的相位误差导致模值的大小、分布误差。另一方面, 计算精度会随M的增加, Neq的减小呈现跳变增加, 阶跃点Neq与M具有线性关系, 斜率约为133, 即Collins公式在菲涅尔数为266以内是有效的。

目的: 探讨Nd:YAG激光、Er:YAG激光及传统牙龈切除术治疗正畸中牙龈增生的临床疗效差异。方法: 将34例正畸患者的270颗牙龈增生前牙, 随机分为三组, 分别采用Nd:YAG激光、Er:YAG激光及传统牙龈切除术治疗, 比较其术前、术后24 h的疼痛指数(VAS)均值, 以及术前、术后4、12、24周的龈增生指数(GHI)、探诊深度(PD)、出血指数(BI)及菌斑指数(PLI), 对三种治疗方法的临床疗效进行评估。结果: 术后24 h, Nd:YAG激光切除组、Er:YAG激光切除组的VAS明显低于传统手术切除组, 差异有统计学意义(P＜0.05); 三种方法的术后4、12、24周的各项指标均低于术前, 且Nd:YAG激光切除组和Er:YAG激光切除组均明显低于传统手术切除组, 差异有统计学意义(P＜0.05)。结论: Nd:YAG激光、Er:YAG激光疗法均优于传统手术切除法, 且Nd:YAG激光的止血效果最佳, Er:YAG激光的抑菌效果最佳。

目的: 观察克林霉素磷酸酯凝胶联合波长1 565 nm掺铒光纤点阵激光治疗轻中度寻常痤疮的有效性和安全性。方法: 选取2015年1月至2017年9月期间门诊中来就诊的轻中度寻常痤疮患者132例, 随机分成A、B、C三组, A组44人; B组46; C组42人。A组单纯使用点阵激光治疗; B组单纯使用克林霉素磷酸酯外用; C组使用点阵激光治疗联合克林霉素磷酸酯外用。由2名有经验的医生共同进行皮损计数和疗效评价, 同时观察患者的不良反应和复发情况。结果: 三组有效率分别为A组51.6%; B组38.2%; C组79.3%。卡方检验结果显示, C组的总体疗效均优于A组与B组, 差异具统计学意义; 三组均无明显不良反应。结论: 克林霉素磷酸酯凝胶联合波长1 565 nm掺铒光纤点阵激光能有效治疗轻中度寻常痤疮且无明显不良反应, 值得推广。