1 天津大学材料科学与工程学院，天津 300350
2 天津大学天津市现代连接技术重点实验室，天津 300350
激光深熔焊过程中等离子体羽流的热力学行为与焊接过程稳定性及焊接质量息息相关。利用激光焊接等离子体光电信息同步检测系统测量了等离子体羽流热力学基本参数，并分析了其统计分布规律。结果表明：等离子体喷发速度主要分布在6~70 m/s范围内；随着焊接热输入增加，概率最大的等离子体喷发速度减小，而喷发速度分布范围变化不明显；在等离子体喷发过程中，随着等离子体羽流上升，其温度不断下降，等离子体羽流温度的下降程度随着焊接热输入的增加呈现为减小的趋势；在喷发后期，两探针电信号开始回升的前后顺序与喷发后期等离子体喷发的剧烈程度紧密相关。
激光技术 激光焊接 钛合金 激光等离子体 等离子体喷发速度 小孔振荡 中国激光
2023, 50(20): 2002105
陕西科技大学机电工程学院，陕西 西安 710021
采用正交试验，研究在选区激光熔化快速成形的过程中，激光功率P、扫描速度v、铺粉厚度h以及扫描间距s4个参数对TC4钛合金成形件上表面粗糙度、侧面粗糙度和表面硬度的影响规律。研究表明，4个参数对上表面粗糙度影响的重要次序为激光功率、扫描速度、铺粉厚度、扫描间距；对侧面粗糙度影响的重要次序为激光功率、铺粉厚度、扫描速度、扫描间距；对表面硬度影响的重要次序为激光功率、铺粉厚度、扫描间距、扫描速度。试验可得形成TC4成形件表面质量的最佳工艺参数为：激光功率200 W，扫描速度600 m/s,铺粉厚度0.04 mm，扫描间距0.06 mm。
激光选区熔化 TC4钛合金 上表面粗糙度 侧面粗糙度 表面硬度 selective laser melting TC4 titanium alloy upper surface roughness side roughness the surface hardness
陕西科技大学机电工程学院，陕西 西安 710021
采用选区激光熔化（SLM）工艺成型TC4钛合金，运用双因素控制变量法，从输入体能量密度方面，研究了激光功率P、扫描速度V对多层成型件致密度和表面硬度的影响规律。试验结果表明：当单位体积粉末输入体能量密度φ为119.05～166.67 J/mm3时，成型件致密度可达到96.62 %～97.41 %，表面显微硬度达到415.2～425.4 HV，高于成型前粉末微粒显微硬度335.4 HV。在激光功率P=200 W、扫描速度V=600 mm/s、铺粉厚度H=0.04 mm、扫描间距S=0.06 mm时，成型件致密度达到97.41 %，表面显微硬度达到440.5 HV，成型的钛合金件具有良好的力学性能。
选区激光熔化 TC4钛合金 体能量密度 力学性能 selective laser melting TC4 titanium alloy bulk energy density mechanical property
1 天津大学材料科学与工程学院，天津 300350
2 天津大学天津市现代连接技术重点实验室，天津 300350
利用等离子体光电信号同步采集系统，对钛合金激光焊接熔透焊缝与未熔透焊缝在等离子体特征振荡频率上的差异展开了对比研究。结果表明：对于熔透焊缝与未熔透焊缝，等离子体电信号的特征振荡频率存在明显差异。相比熔透焊缝，在焊接初始阶段，未熔透焊缝的等离子体电信号的特征振荡频率较高，并且特征振荡频率随热输入变化的速度也有明显差异。在相对稳定阶段，未熔透焊缝的等离子体电信号的特征振荡频率的波动范围较小，相对稳定，而此时熔透焊缝的等离子体电信号的特征振荡频率的波动范围较大，稳定性相对较差，特征振荡有明显的不确定性。
激光技术 激光焊接 钛合金 等离子体 电信号 熔透状态 中国激光
2022, 49(22): 2202018
哈尔滨工业大学微系统与微结构制造教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001
基于聚酰亚胺(polyimide，PI)膜的激光诱导石墨烯(laser-induced graphene，LIG)电极因其制备简单、可扩展性强等优势而逐渐得到了广泛的关注，但较低的能量密度限制了它的进一步应用。为了提升LIG电极的电化学性能，首先研究了激光功率和扫描速度对PI膜碳化效果的影响。在此基础上，在PI膜表面喷涂RuCl3晶体，通过飞秒激光直写技术制备指间距为20 μm的LIG/RuO2复合电极，组装了超级电容器，并对电极微纳结构以及元素成分进行了表征分析。在10 mV/s的电压扫描速率下，LIG/RuO2超级电容器的面积容量为4.9 mF/cm2，是LIG超级电容器的4.85倍，同时具有良好的能量密度(在0.1 mA/cm2的电流密度下为0.173 μW·h/cm2)。研究结果表明，飞秒激光直写技术可以实现LIG/RuO2复合电极的灵活和可扩展制备，在微电子器件以及可穿戴电子设备领域有广阔的应用前景。
激光制造 飞秒激光直写 激光诱导石墨烯 RuO2 超级电容器 中国激光
2022, 49(16): 1602016
1 哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001
2 哈尔滨工业大学微系统与微结构制造教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001
随着我国航空航天、微电子和医疗等领域的快速发展，组成元件逐步迈向微型化和精细化，这对零部件的切割以及微米级孔、槽等结构的加工质量和加工精度提出了更高要求。与传统的机械加工、电火花加工和电化学加工相比，激光加工可实现“非接触”加工，加工材料的适应性好、柔性大。但单一的激光加工得到的切口存在明显的锥度，且易出现热影响区、毛刺、裂纹等缺陷。水导激光加工技术利用水射流“同轴”全反射导引激光，兼具高质量和高效加工的优势，因而得到了广泛研究和应用。为对水导激光加工技术进行较为详尽的综述，本文首先讨论了水射流的形成、衰减和发散过程，然后从水的光学特性、全反射形成条件以及耦合能束传输等方面对激光-水射流耦合进行了分析，最后介绍了水导激光在金属、半导体以及复合材料等领域的应用现状，并针对现有技术的不足，对其发展趋势进行了展望。
中国激光
2022, 49(10): 1002404
1 天津大学材料科学与工程学院, 天津 300350
2 天津大学天津市现代连接技术重点实验室, 天津 300350
对药芯焊丝脉冲TIG电弧增材制造电弧特性展开研究。 利用高速摄像拍摄不同熔敷层脉冲电流条件下的电弧与熔滴过渡图片, 对高速摄像图片进行分析, 发现焊丝熔化过程存在“滞熔”现象, 导致熔滴过渡存在渣桥过渡与液桥过渡两种接触过渡方式, 在脉冲峰值电流较小的50/100 A电流参数下, 出现熔滴断续的渣桥过渡的频率最高。 熔滴过渡影响电弧温度场与药粉成分在电弧中的分布, 利用光谱诊断分析熔敷过程中在不同脉冲峰值电流与脉冲基值电流条件下电弧温度场及药粉成分在电弧中的分布。 利用点阵法测量得到各点光谱数据, 根据Boltzmann图法计算各点温度, 将各点温度拟合得到完整电弧温度场, 结果表明, 焊丝从钨极轴线前(左)侧送入, 吸收电弧热量并且对电弧有扰动作用, 电弧前侧温度低于电弧后(右)侧, 电弧前侧尺寸稍小于后侧; 随着熔敷层数增加, 降低峰值电流, 电弧收缩, 高温区面积相对减小, 低温区面积相对增大。 电弧最高温度区域出现在钨极下方1~2 mm的范围, 大约为13 000~15 000 K, 脉冲峰值电流越大则最高温度区域面积越大。 在脉冲基值电流时期, 由于电流小, 电弧面积相比于峰值时期要小得多, 焊丝与电弧相互作用减弱, 电弧温度场基本关于钨极轴线对称分布。 选择药芯焊丝中特有的Na元素的NaⅠ589.6 nm谱线对其分布点进行标记, 拟合绘出不同脉冲峰值电流与基值电流下药粉元素在电弧中的分布情况, 结果表明, 电流越小, 药粉运动高度越低, 在不同的脉冲峰值电流下药粉均没有沾染到钨极上, 在不同的脉冲峰值电流与脉冲基值电流下 Na元素均偏电弧后侧分布, 说明焊丝自电弧前侧送入熔池后, 在电弧前侧的电弧中没有出现药粉强烈的喷发现象, 而是进入熔池进行冶金反应。 接触过渡解决了碱性焊丝工艺性差的问题, 电弧较为稳定, 避免药粉喷发损伤钨极, 熔敷过程稳定进行。
药芯焊丝 脉冲TIG增材制造 光谱诊断 高速摄像 电弧特性 Flux-cored wire Pulsed TIG additive manufacturing Spectral diagnosis High speed imaging Arc characteristic 光谱学与光谱分析
2021, 41(8): 2397
1 哈尔滨工业大学微系统与微结构制造教育部重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 哈尔滨工业大学机电工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
纳米操作技术是实现纳米材料位移、排布、形变等操作的关键方法,也是一种“自下而上”制造性能优异的纳米结构及纳米电路的重要技术手段,同时也为新型纳米器件的研发提供了新思路。本文主要对基于扫描探针显微镜、电子显微镜的纳米操作技术以及光镊技术的研究进展进行了介绍及总结,简单阐述了三种操作技术的基本原理及特点,并在此基础上分析了不同操作技术存在的问题,介绍了几种典型的操作系统和操作策略的改进方法,进一步概括了三种操作技术在纳米材料测试及器件制造中的应用。最后针对三种操作技术的优势、适用范围以及目前仍存在的问题进行分析与总结,探讨了三种操作技术的适用范围,并对不同操作技术的结合进行了展望。
激光光学 光镊或光操作 纳米操作 扫描探针显微镜 电子显微镜 纳米器件
1 哈尔滨工业大学微系统与微结构制造教育部重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 哈尔滨工业大学机电工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
近年来,纳米线在纳米电子学、纳米光子学、纳米医学和纳米机电系统等领域的应用逐渐广泛,纳米线的连接已经成为未来器件小型化和集成化的关键问题。为了实现良好的纳米线互连,提出了一种基于扫描电子显微镜(SEM)的纳米线-纳米钎料原位互连结构组装、钎焊互连的方法。利用开发的SEM纳米操作平台,实现了直径为100 nm左右的ZnO纳米线与直径为180~300 nm的Ag纳米钎料的同基底互连结构组装。利用SEM聚焦电子束辐照熔融纳米钎料实现了纳米线钎焊互连,利用双探针纳米操作系统对焊接后的纳米线进行电流-电压(I-V)测试,钎焊后的纳米互连结构成功实现电流导通。
集成光学 钎焊 纳米操作 纳米线互连 组装 电子束辐照
1 教育部微系统与微结构制造重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 哈尔滨工业大学机电工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
氧化石墨烯的还原与表面结构化有助于提升传感器、储能器等微型电子器件的性能。相比于其他工艺手段,采用飞秒激光辐照方法可以快速实现氧化石墨烯的同步还原和表面纳结构成型。本文首次对比了1030 nm和257 nm两种飞秒激光波长辐照下氧化石墨烯的形貌与结构特征,发现1030 nm激光辐照产生的条纹周期纳结构主要由入射激光与表面等离激元干涉作用而形成,257 nm激光辐照产生的沟槽微纳结构主要归因于光化学作用。通过拉曼测试和电化学阻抗谱分析表明,相比于257 nm激光作用,1030 nm激光辐照下氧化石墨烯还原程度更高,电极反应过程中接触电阻更小且有利于电荷转移和离子的扩散。
激光技术 飞秒激光 氧化石墨烯 纳结构 电化学性能
