为了研究304不锈钢及其激光熔覆件的小孔钻削工艺性, 利用永年YLC-3000激光熔覆成形机制备了以45钢为基材、304不锈钢合金粉末为熔覆材料的激光熔覆件, 并对熔覆件表面的宏观形貌、截面显微组织及显微硬度进行了分析。采用单因素试验设计, 并结合小直径麻花钻对304不锈钢及其激光熔覆件进行了小孔钻削试验, 对比分析了两者在不同主轴转速和进给速度条件下的钻削力和切屑形态的变化。结果表明: 与304不锈钢相比, 304不锈钢激光熔覆件的材料塑性降低, 钻削力减小, 切屑形态发生明显变化。

使对Q235管材进行了激光切割工艺试验, 研究了激光功率、切割速度对切口处热影响区尺寸、切口宽度、切口角度、切口表面粗糙度的影响规律。结果分析表明: 在本实验所应用的激光功率和切割速度范围下, 较高的激光功率可使切口处的热影响区尺寸、切口宽度及表面粗糙度值增大, 而降低切口倾角较小, 同时切口倾角和切口表面粗糙度也明显降低。

为了解决恒功率激光淬火过程中材料基体预热时间长、材料表面温度不稳定、容易发生边界熔化等问题, 设计基于非线性参数整定方法的PI控制器。首先使用了一阶惯性系统来描述激光淬火的温度模型, 接着通过阶跃响应法来辨识温度系统的模型参数, 然后提出了非线性参数整定的PI控制算法。结果表明, 这种控制方法能够在控制过程中实时调节PI参数, 并且能够准确控制激光作用区域的温度。同时, 与传统PI控制相比, 通过这种控制方法可以得到相对更好的快速性以及更小的超调量。此外, 该控制系统还具有一定的鲁棒性, 对于参数不断变化的非线性温度系统也能取得较好的控制效果。

激光诱导等离子体受激光能量大小、激光频率、样品特性、采集延时等实验参数的影响, 这些因素变动直接影响物质成分定量分析的准确性。本文搭建激光诱导击穿光谱实验平台, 以炉渣为研究背景, 以炉渣中原子谱线CaI:428.28 nm、离子谱线CaII:393.37 nm和Si原子谱线SiI:252.91 nm为研究对象, 观察信号强度随采集延时、激光能量的波动和激光聚焦位置的变化规律。通过实验测得最佳延时时间为1us时信号强度最好, 激光能量的波动对信号的影响并无明显影响, 激光聚焦位置在样品表面以下2-3 mm处为最佳实验条件。

为解决有源电子式电流互感器高压侧供电不稳定、“死区”等问题, 提出一种双路供电系统, 由母线取能和激光供能完成。设计了一种适用于母线大电流时供电的线圈, 并针对激光器存在寿命短和可靠性差等问题, 给出了根据信号采集系统的电能需求使用模糊PID控制算法进行动态调节激光发射功率, 从而提高激光器的使用寿命, 通过仿真分析, 进一步说明了模糊PID控制能很好的调节激光器, 最终保证了高压侧供电稳定, 对高压侧供电电源研究提供了重要参考。

为了解决激光通信系统中对信标光捕获、跟踪与对准的高实时性技术难题, 设计了基于FPGA的高速激光光斑采集与处理系统。首先, 采用高速摄像机与FPGA设计了激光光斑采集与处理硬件电路。然后, 采用中值滤波与形态学滤波对图像进行背景抑制和目标增强。最后, 对滤波后的图像分别计算光斑的形心和质心, 并通过加权平均后将光斑中心位置传输至控制系统中, 控制快速反射镜完成对目标的跟踪。所设计系统的实时提取像素分辨率为256×256, 帧频为10 000 Hz。实验结果表明, 所设计系统能够对包含激光光斑目标的超高帧频图像进行实时处理, 能够提高基于快速反射镜的闭环控制带宽。

基于小波变换能对信号奇异点特性进行准确检测, 脉冲激光测距中可应用小波变换算法, 对回波信号的奇异点进行计算, 通过mexh小波变换法和DSP技术相结合, 借助激光测距算法可以有效控制测量误差。理论仿真表明, 在mexh小波变化法的基础上, 可将测距精度提高, 小波变换算法是基于Mallat算法的改进, 将二次样条小波作为小波基, 能将信号奇异点很好检测出。选用一层小波变换, 脉冲激光测距中精度为0.21 m。通过小波变换模极大值算法, 可将目标实际距离准确测出, 这表明在脉冲激光测距中, 应用该算法能取得较好的效果。

激光熔覆能改善基体材料表面的耐磨、耐热和耐腐蚀等力学及化学性能, 可以延长工件的使用寿命, 节约经济成本。现阶段对于燃气轮机叶轮、叶片的修复工艺有很多, 各有优缺点。从工程应用的角度考虑, 研究了激光熔覆功率对熔覆层表面形貌及稀释率的影响, 并分析了其金相组织。实验结果表明, 在只考虑激光功率, 而其它工艺参数不变的情况下, 熔覆层宽度和高度随激光功率的增大而增大, 稀释率随激光功率的增大亦增大, 并且当能量密度在8.49 kJ/cm2~10.62 kJ/cm2时, 金相组织致密, 无裂纹、气孔等缺陷, 可应用于实际工件修复中。

铁路罐车作为石油与化工产品的主要载运工具和计量器具, GB/T 5600-2018《铁路货车通用技术条件》等技术文件对其制造偏差进行了约束。运用三维激光技术复现罐体内部结构; 运用LM(Levenberg-Marquard)算法实现罐体数据拟合, 并实现基于点云矩阵化与区域查询的初值设定方法, 提高拟合效率并避免局部极值陷阱; 运用拟合结果配合点云数据特征实现罐体总长及筒体内直径的计算。实验结果表明, 该方法有效地提高了罐体总长及筒体内直径测量效率, 且保证了测量结果的准确性。

为满足复杂条件下带电作业机器人作业过程中对线缆的定位需求, 提出一种基于激光光斑的带电作业机器人线缆定位方法, 在双目相机安装滤光片, 移动激光发射器, 并在线缆上形成两个光斑。对光斑源图像提取HSV空间的亮度分量, 减少光照差异及背景对光斑的影响。利用帧间差分获得两光斑的亮度分布图的差分图像。通过光斑筛选获得目标光斑, 去除差分中抖动、光照变化等影响。通过匹配左右相机的光斑对, 计算光斑三维坐标, 获得线缆上的目标位置和姿态, 保证了立体匹配的准确率。搭建实验平台, 采集多种光照环境、背景下的线缆图, 具有96%的定位准确率, 定位误差也能达到作业需求, 验证了该定位方法的有效性及实用性。

针对工业热电池检测中,采用大电压大焦点X射线激光源, 成像分辨率不够, 导致缺陷漏检的问题, 提出了采用小焦点射线源的改进方法。通过设置两组焦点大小不同的射线源来进行比较实验, 实验结果从拍摄效果与理论分辨率两个方面进行评估, 证明在保证射线源电压足够的前提下, 使用尽可能小的焦点, 可以有效提高图像分辨率。

本文基于河南许昌地区大气衰减模型, 对激光脉冲延迟时间的影响进行了仿真研究。结果表明, 由许昌地区大气信道引起的脉冲传输延迟时间均在纳秒量级上, 输延迟时间随单程散射反照率、传输距离的增大而不断增长, 高脉冲延迟时间与单程散射反照率单位距离成正相关。增加激光的波长和能见度, 此时将会降低大气衰减系数。在激光波长为0.85 μm, 单程散射反照率为0.75, 单位大气能见度随着传输距离的增加对脉冲传输延迟时间具有显著的影响, 在能见度从20.5 km减小到10.5 km, 传输距离为21.5 km时, 大气所引起的脉冲传输延迟时间增加较大。降低大气的能见度, 单位传输距离将会直接影响到脉冲传输延迟时间, 如果将13.5 km的激光脉冲传输距离增大至21.5 km, 大气能见度为10.5 km时, 河南许昌地区大气所引起的脉冲传输延迟时间增加一倍多。

为了实现对金属构件表面微小裂纹的定量检测, 本文采用仿真和实验相结合的方法, 对经过不同深度表面裂纹的激光超声透射Rayleigh(瑞利)波的波形进行对比分析, 提取畸变区域内的波形, 计算其波包能量, 研究波包能量与表面裂纹深度的依赖关系, 并通过拟合表达式对裂纹深度进行反演。研究结果表明: 当表面裂纹的深度以0.1 mm的步长从0.1 mm增加到0.5 mm时, 透射Rayleigh波的波包能量呈线性减少, 且仿真与实验分析结果相一致。反演所得裂纹深度与理论裂纹深度的最大误差为0.022 4 mm, 总体平均误差为0.011 5 mm。因此, 该研究结果可以有效的对表面裂纹深度进行定量表征。

非稳腔拥有较大的模体积, 良好的光束特性, 因而在板条激光器中应用广泛。一般而言, 板条激光器均采用的是共焦非稳腔结构, 对非共焦腔结构研究较少。采用Rigrod分析法对非共焦非稳腔的功率提取效率进行分析, 研究了腔长增加或者减小时, 非共焦腔的光束特性, 失调特性以及功率提取效率的变化。结果表明, 腔长减小时, 非共焦腔相比共焦腔, 功率提取效率整体呈下降趋势; 而当腔长增加150~210 mm时, 非共焦腔的功率提取效率提升11%左右, 抗失调特性相比共焦腔结构也提升10%以上。

COMSOL Multiphysics仿真软件数值模拟了激光线源热弹激发超声波的物理过程, 进行了理论分析和实验验证, 阐述了激光超声的激发原理, 给出了时间步长及空间步长的选取原则。基于有限元方法建立了二维平面应变模型, 通过求解计算得到了激光热弹激发出声波的传播规律和缺陷回波, 并对其进行了时域分析。结果表明, 当缺陷大小、检测点保持不变的情况下, 缺陷位置距离入射点越远, 接收到回波的时间越长, 并且有一定的衰减; 当检测点、缺陷位置保持不变的情况下, 当缺陷深度为0.05 mm时, 就能够接受到缺陷回波信号, 在一定范围内缺陷回波振幅随着表面缺陷的加深而增加, 当缺陷深度为0.4 mm之后, 缺陷回波的振幅趋于稳定。

光学相干断层扫描(Optical Coherence Tomography, OCT)凭借其无创、实时、高分辨率等优势逐步在多个临床领域得到了应用。近年来, 随着技术的不断进步, OCT在技术基础之上发展了很多全新的技术模式, 例如光学相干断层扫描血管造影(Optical Coherence Tomography Angiography, OCTA), 三维光学相干断层扫描(3-Dimensional Optical Coherence Tomography, 3D-OCT), 高清晰度光学相干断层扫描(High-definition Optical Coherence Tomography, HD-OCT)等。文章主要对OCT技术在良恶性疾病的诊断和应用方面进行综述, 客观分析其优缺点, 并对其发展进行展望。

皮肤是人体最大的器官,分为表皮、真皮及皮下组织结构。而皮肤创面愈合涉及多种复杂生物学效应,主要包括炎症期、增殖期、重塑期, 是不同的组织结构及大量浸润细胞相互作用的过程。近年来弱光治疗广泛应用于临床烧伤、创伤, 尤其是在糖尿病皮损伤等慢性难愈性皮肤创面上具有独特的优势,可通过促进胶原生成、成纤维细胞增殖、微血管新生以及组织重建从而减少疼痛和缩短治愈时间。本研究采用1.2 μm半导体激光治疗机作为治疗光源, 分别通过动物模型实验和细胞实验摸索该波长激光促进皮肤伤口愈合的剂量参数, 进一步证实1.2 μm激光可通过促进角质细胞迁移诱导创面再上皮化,从而促进创面的愈合。

为了提高冶金关键零部件热轧地下卷取机卷筒扇形板的力学性能并延长其使用寿命, 使用激光熔覆技术在2Cr12NiMoWV钢表面分别制备了两种铁基合金熔覆层; 利用金相显微镜观察熔覆层的显微组织; 利用显微硬度计测试熔覆层的硬度; 利用万能力学试验机测试熔覆层的力学性能; 利用SEM观察拉伸断口的显微组织; 利用EDS对断口的元素种类与含量进行分析。试验结果表明: 两种铁基合金熔覆层表面光滑平整, 无裂纹、气孔等明显缺陷, 均与基体钢形成了良好的冶金结合; 熔覆层的界面组织呈现定向快速凝固特征。其中A粉末制得的激光熔覆层硬度整体高于基体, 抗拉强度1 030 MPa, 屈服强度812 MPa, 延伸率10.1%, 断口形貌表明其断裂机制为脆性断裂; B粉末制得的激光熔覆层硬度整体略低于基体, 抗拉强度895 MPa, 屈服强度512 MPa, 延伸率26.5%, 断口形貌呈现出大量的韧窝, 断裂机制为韧性断裂。A粉末的激光熔覆组织硬度高、强度大, 塑性较差, B粉末的激光熔覆组织硬度较低、强度较差, 塑性极好。

激光熔覆得到的熔覆层面积与工艺参数存在一定的耦合关系, 且熔覆层中气孔缺陷的产生随工艺参数的改变而有所差异。基于试验及神经网络, 以单道单层熔覆层为研究对象, 建立了以加工工艺参数对熔覆层面积和熔覆层气孔率进行预测的基于BP神经网络的预测模型。依据输入量与输出量特点设计了神经网络结构, 通过激光熔覆试验采集熔覆层面积值与气孔率样本, 利用训练集训练BP神经网络, 建立输入量与输出量之间的映射关系, 并用测试集对训练好的预测模型进行检验。测试结果表明, 基于BP神经网络的预测模型对熔覆层面积的预测精度较高, 气孔率预测模型得出的预测趋势对于气孔率的预测具有一定参考价值。验证了这两个预测模型在理论和实践上的具有一定的可行性与有效性。

以316L不锈钢粉末为研究对象, 采用正交试验方法研究SLM激光快速成形过程中激光功率P、扫描速度v、扫描间距s、铺粉厚度h等工艺参数对成形件上表面和垂直面表面粗糙度的影响规律。实验结果表明: 在上表面, 激光功率和扫描速度对成形件表面粗糙度影响非常显著, 扫描间距对成形件表面粗糙度影响显著, 铺粉厚度对成形件表面粗糙度影响不显著, 各因素对成形件表面粗糙度的影响的重要性次序为激光功率、扫描速度、扫描间距、铺粉厚度, 最佳工艺参数组合为激光功率为220 W, 扫描速度800 mm/s, 扫描间距0.12 mm, 铺粉厚度0.03 mm; 在垂直表面, 各因素对成形件表面粗糙度的影响的重要性次序为激光功率、铺粉厚度、扫描速度、扫描间距, 四个因素对粗糙度影响均不显著。成形件垂直面的表面粗糙度明显大于上表面的表面粗糙度。

基于脉冲累积效应对纳秒激光精微烧蚀18Cr2Ni4WA钢进行传热分析, 并在MATLAB中进行温度场仿真; 采用波长为532 nm、脉宽为8 ns的纳秒脉冲激光对18Cr2Ni4WA钢进行烧蚀实验, 分析了脉冲累积下热传导过程; 采用单元素法分析激光能量密度、脉冲数对靶材表面几何形貌的影响规律, 并将靶材表面损伤区域分为激光烧蚀区域和热影响区域。实验结果表明: 烧蚀凹坑半径随脉冲数的增加而增大, 但半径的增大不是持续的; 在激光单脉冲能量40 mJ、10个脉冲数下, 靶材表面的机械划痕因质量流动而去除, 达到相对平整的形貌。本文对探索合金钢烧蚀特性有参考意义。

主要研究了磨损速率对NM360激光熔覆铁基合金后的表面耐磨性的影响。利用销盘摩擦磨损试验机测量了不同转速下, 摩擦副的摩擦系数, 磨损率的变化情况; 然后分别用电子显微镜和扫描电镜进行磨损形貌和磨损机理的分析。结果表明, 随着转速提高, 试样表面的平均摩擦系数降低, 磨损率增加, 磨损面磨损程度增加, 磨损机理表现为: 当转速为800 r/min～1 200 r/min时, 磨损机理主要表现为磨粒磨损; 当转速为1 600 r/min～2 000 r/min时磨损机理主要为粘着磨损。

为了获取性能良好的S32205双相不锈钢激光焊接头性能, 采用高功率光纤激光焊机在焊接速度和离焦量不变的情况下, 依次增大激光功率进行焊接试验, 研究不同功率对焊缝形貌的影响。同时, 采用中频感应快速加热技术, 对激光焊缝进行了热处理。结果表明, 当焊接功率在4 kW左右时, 可得到优良的焊缝形貌; 对厚度为2 mm的S32205双相不锈钢, 合理的的激光焊热输入和热处理工艺, 可以有效调整焊接接头形貌和两相组织的平衡, 避免组织中的脆性相析出, 接头具有良好的综合性能。

针对电池连接片紫铜的焊接, 分别采用脉冲激光和连续光纤激光进行焊接实验。对脉冲激光焊接的工艺参数峰值功率、脉宽、离焦量进行正交实验, 得到最大的剪切力28 N。对连续光纤激光焊接的工艺参数激光功率、焊接速度、离焦量进行正交实验, 得到最大的剪切力58 N。对焊点外观分析, 结果表明脉冲激光焊缝内部有气孔产生, 连续光纤激光焊缝内部无气孔, 这有利于提高焊点的剪切力。

激光热成形作为船体外板曲面成形的新工艺, 具有良好的加工柔性, 且能够实现对加工参数的精确控制, 是实现曲面成形工艺的最佳选择。传统的热弹塑性有限元方法对大尺度板材计算需要大量的时间, 本文通过热弹塑性有限元法, 获取加工塑性应变分布, 确定固有应变等效方法, 提出小尺度-大尺度板固有应变映射法。基于激光加工实验平台, 进行激光热成形实验, 结合变形测量, 该方法与实验结果间的平均相对误差为5.27%, 验证了该方法的有效性; 相比热弹塑性有限元仿真, 该方法节约了147倍的计算时间。

实验采用激光选区熔化制造工艺成型316L合金, 采用正交实验法, 选定以激光功率P、铺粉厚度h。扫描间距d及扫描速度s四个工艺参数为实验变量, 分析不同工艺参数对成型零件的致密度和表面硬度的影响,得到P=140 W, s=250 mm/s, h=0.03 mm, d=0.08 mm的条件时, 可以得到成型样品的表面硬度为431.9 HV, 致密度为96.49%, 是一组具有较好性能的成型样品; 从输入能量角度分析316L粉末成型的能量区间。结合正交实验, 对四个主要参数进行量化关系分析, 用成型质量将值分为四个区间, 当491.43 J·cm-3<φ2<802.67 J·cm-3时, 成型件的致密度大约在95.21%以上, 表面硬度值在338.5 HV以上。具有和316L铸造成型件近似的性能。

近年来, 由于越来越多的工业含油污水产生和频繁泄油事故的发生, 因此开发用于油水分离新技术十分重要。传统的油水分离材料由于存在制备工艺复杂, 商业可用性低以及无法适应恶劣环境, 大多数方案都无法进行大规模生产, 且无法对重密度和轻密度油同时生效。受到鱼鳞的启发, 制备了一种具不对称浸润特性的金属网格。通过用飞秒激光处理不锈钢网的一面, 并在另一面上喷涂打印机粉末, 使得网格的两面对水和油表现出不同的亲疏性。激光处理的表面超亲水并且水下疏油, 此侧对水的接触角降为接近0°, 对油的接触角增加至131°; 而喷涂粉末的表面亲油并且疏水, 此侧水的接触角增加至138°, 而油的接触角将为0°。因此当油水混合物接触到金属网格某一面时, 表现出亲性的液体就会在重力作用下透过网格, 而表现出疏性的一面则会被阻隔, 从而实现了油水的分离效果, 且该网格对重油和轻油的分离均有效果, 二者的分离效率均超过95%。

针对目前带热障涂层(TBC)叶片的难加工问题, 开展了皮秒激光加工热障涂层的试验。试验分别在三种扫描速度下(50 mm/s, 150 mm/s, 250 mm/s)使用不同单脉冲能量加工热障涂层。发现随着扫描速度的增大, 材料出现缺陷对应的最小单脉冲能量分别为120 μs, 280 μs和400 μs; 随着脉冲能量的增大, 热障涂层出现裂纹、崩边及脱落等缺陷越多。通过面积外延法, 计算三种扫描速度下多脉冲烧蚀阈值分别为1.17 J/cm2、2.72 J/cm2和4.45 J/cm2, 随着激光扫描速度的提高, 烧蚀阈值也随之增大。小脉冲能量去除热障涂层主要以雪崩电离为主, 当以较大脉冲能量去除时主要以多光子吸收为主, 当脉冲能量远大于烧蚀阈值时会在加工区域产生烧蚀潜热, 在材料加工区域边缘处因产生应力集中出现微裂纹、崩块和整块脱落的缺陷。

采用不同波长皮秒激光器在碳纤维复合材料板材上进行制孔加工, 研究了不同波长(532, 355 nm)、扫描速度(3 000、3 500、4 000、4 500、5 000 mm/s)、加工缝宽(0.4、0.5、0.6 mm)对加工孔表面热影响区、孔锥度、加工时长等加工质量的影响。结果表明: 激光波长越短, 加工孔的表面质量越好, 热影响区越小。在5 mm厚的碳纤维板材上加工直径为3 mm的孔, 当激光波长为532 nm时, 加工孔边缘热影响区大小为200 μm; 当激光波长为355 nm时, 加工孔边缘热影响区大小为70 μm。在不影响加工效率的前提下, 一定范围内, 加工速度越大越好, 缝宽越小越好。当扫描速度为5 000 mm/s、加工缝宽为0.4 mm时, 表面孔边缘热影响区大小仅为33.8 μm, 其孔径上下表面差为184.1 μm, 均为以上所有参数条件下最好效果。

针对传统机械式切割钻石的加工过程中, 切削力四处传播容易造成钻石损坏, 切割的噪音和粉尘也很大, 加工精度不高等问题, 提出采用激光切割钻石的加工新方式。为了减少实验和加工过程中的盲目性, 分析了钻石激光切割的加工机理, 根据加工过程中温度场和热应力分布, 推导出材料加工阈值和裂纹产生阈值公式, 作为钻石切割的上下参考阈值。并且设计了一款基于软件的532 nm激光切割钻石装置, 装置中采用了具有切割、成像和照明三种功能的新型复合镜头, 保证加工装置不仅能切割钻石, 还能动态显示钻石加工效果; 设计的专用夹具可带动钻石自由旋转, 从而便于用户根据杂质情况任意选择加工位置, 提高加工质量, 减少加工中损耗, 从而实现最优加工。

为了研究TC4钛合金民用大飞机蒙皮材料的激光切割工艺, 分别对0.8mm和1.6mm的TC4钛合金板材进行激光切割工艺试验, 研究了切割后板材热影响区的组织、深度, 试件的拉伸性能及断口形貌。结果表明: 切割速度是影响切割质量的主要因素; 热影响区分为熔化区和非熔化区, 组织与基体完全不同; 热影响区深度受切割工艺的影响较大, 板材下表面的热影响区深度均大于上表面; 热影响区的存在影响板材的拉伸性能, 且热影响区深度越深, 材料的拉伸性能越差; 有无热影响区的试样断口形貌均属于塑性断裂。