为了解决殷瓦合金焊接中易出现的焊接缺陷问题, 研究了液化天然气(LNG)船用薄板殷瓦合金搭接焊(上下板厚度均为1.5mm)工艺参量。通过设计制造气体保护盒, 采用数值仿真分析和正交试验的方法, 进行了理论分析和实验验证, 取得了殷瓦合金搭接焊最优工艺参量。结果表明, 气孔缺陷在完全保护气下得到有效抑制, 殷瓦合金搭接焊的最优工艺参量为激光功率3.4kW、焊接速率1.3m/min、离焦量+20mm、激光入射角5°、激光光斑能量分布2∶1;在此最优工艺参量下, 焊缝表面呈银白色, 无气孔等缺陷, 焊缝处硬度小于母材但大于热影响区, 拉伸强度为417.16MPa, 达到母材的94.8%, 且仿真结果与试验结果误差较小, 证明了本文中所建立的仿真模型的可靠性。这一结果对殷瓦合金激光搭接焊工艺参量数据库搭建是有帮助的。

碳纤维增强复合材料（CFRP）因其优异的性能, 在航空航天、**等领域有着广阔的应用前景。为了掌握激光加工CFRP的去除机理, 研发出高效率、低损伤加工该材料的方法, 归纳整理了激光加工CFRP去除机理的研究成果, 并从激光特性、工艺参量、气液辅助、材料特性4个方面出发, 介绍了国内外激光加工CFRP的研究进展, 总结了影响激光加工CFRP质量的因素, 并给出了提高加工质量方法的建议,最后对激光加工CFRP的发展趋势进行了展望。

为了研究工艺参量对激光熔覆Ni60涂层裂纹及厚度影响, 采用在45#钢基材表面熔覆Ni60合金粉末的正交试验方法, 分析了影响裂纹产生的工艺参量的主次因素以及影响涂层厚度的主要因素, 并对试验结果进行极差分析, 获取了裂纹最少的最优工艺参量。结果表明, 影响裂纹产生的主次因素为扫描速率＞送粉速率＞激光功率, 裂纹最少的工艺参量为激光功率1400W, 扫描速率4.0mm/s, 送粉速率为1.0r/min, 此时, 在熔覆起始位置出现了一条短裂纹; 对涂层厚度的影响程度主次因素为送粉速率＞扫描速率＞激光功率; 经测量, 熔覆层的硬度是基材的3.3倍, 通过扫描电镜分析, 涂层与基材形成良好的冶金结合, 熔覆层晶粒组织均匀致密。该研究为Ni60合金粉末激光熔覆工程化应用提供了参考。

为了实现高强贝氏体钢零部件增材修复的目的, 采用激光粉末沉积+等温热处理的方法制备了一种中碳高强贝氏体钢, 其合金成分(质量分数)为Fe-0.0029C-0.0150Si-0.0150Mn-0.0096Cr-0.0120Ni-0.0100Al-0.0050Mo。使用扫描电子显微镜、X射线衍射仪对贝氏体钢的微观组织进行表征, 采用拉伸试验机以及显微维氏硬度仪对材料的力学性能进行表征, 试样沉积后在280℃盐浴等温处理5h具备最佳综合性能, 平均显微硬度达到494.5HV, 抗拉强度达到1248MPa、屈服强度达到1037MPa, 延伸率达到14.5%。结果表明, 不同工艺参量试样微观组织均由贝氏体板条以及残余奥氏体组成, 且组织均匀, 无碳化物、偏析以及气孔夹杂等缺陷, 但等温时间过低以及等温温度过高都会导致组织性能劣化。该研究为高强零部件的增材修复提供了参考。

为了研究地铁车顶SUS301L不锈钢叠焊工艺中对熔宽熔深的技术需求, 运用数值模拟技术分析了各项焊接工艺参量对熔宽熔深的显著影响, 采用正交实验法则对工艺参量进行了优化设计, 取得了激光焊接SUS301L不锈钢薄板的工艺参量。结果表明, SUS301L不锈钢薄板激光焊接在激光焊接功率为1050W、焊接速率为36mm/s、离焦量为1mm、保护气体流量为25L/min时, 熔宽和下板熔深分别为1216.4μm和407.4μm;在最优工艺参量条件下, 焊缝表面呈银白色, 连续且完整, 焊缝区为等轴晶与柱状晶, 焊缝平均拉剪强度为2559.96kN;仿真结果与试验结果具有较好的一致性, 表明所建立仿真模型的正确性。该研究为后期工艺数据库的搭建提供了参考。

作为一种新型的减材加工技术, 飞秒激光在材料微加工中具有独特优势。介绍了飞秒激光加工的机理, 分析了飞秒激光加工效率和加工质量的影响因素, 阐述了飞秒激光加工工艺参量及表面质量的预测方法, 对飞秒激光与增材制造的结合应用作了展望。飞秒激光加工的效率与精度影响因素众多, 要真正在金属加工领域精准大规模应用这一精细技术, 尚需对飞秒激光及其与不同特性金属材料间的交互作用进行更为深入系统的研究。

为了研究激光加工工艺参量对血管支架切缝形貌以及表面粗糙度的影响, 采用不同参量对比分析试验法, 开展了心血管支架316L材料光纤激光切割实验, 分析了激光脉冲宽度、激光功率和切割速率等不同工艺参量对材料切缝形貌及粗糙度的影响, 得出激光切割支架的最佳工艺参量组合。结果表明, 不同区域切缝形貌和表面粗糙度存在差异性, 其中支架切缝的汽化区厚度主要受脉冲宽度及激光功率影响, 当脉冲宽度为35μs时, 支架切缝汽化区厚度最大可达到120μm; 支架切缝汽化区粗糙度随切割速率增加先减小后增大, 当切割速率为6mm/s时, 切缝表面粗糙度值最低为650nm。此研究结果为心血管支架光纤加工的研究及后续光整加工奠定了理论基础。

超疏水表面因具有滑移减阻、防腐蚀、防摩擦等良好的性能, 获得广泛的关注。激光刻蚀超疏水表面具有可控、简单、稳定、环保等优点, 有望实现工业化生产。首先梳理了超疏水表面的理论模型与影响因素, 概述了国内外激光刻蚀超疏水表面的方法, 讨论了飞秒、皮秒和纳秒激光制备超疏水表面的优缺点,最后提出了激光刻蚀超疏水表面技术的展望。今后的研究应该坚持以降低生产成本、减少工艺步骤、提高生产效率、绿色节能环保等为基础, 着重提高表面微结构的稳定性与持久性。超疏水表面将朝着多功能化与智能化的方向发展。

为了探究工艺参量对激光增材制造熔覆层残余应力影响规律, 采用数值模拟及实验验证相结合的方法, 取得了激光增材制造熔覆层截面深度方向上沿扫描路径y方向和垂直扫描路径x方向上残余应力的分布规律,并在此基础上进行了不同工艺参量对y方向和x方向应力场影响分析。结果表明, 在一定参量范围内, 随着熔覆层深度的增加, y方向残余应力均表现为拉应力, 呈现先增大后降低趋势, 在熔覆层顶部约0.2mm处存在最大拉应力为262MPa; x方向由压应力逐步转变为拉应力, 其略小于y方向应力值; 随着激光功率的增大, x方向残余应力逐渐增大, y方向残余应力逐渐降低; 随着扫描速率的增大, x方向的残余应力将随之减小, 而y方向的残余应力将随之增大; 随着送粉量的增大, x方向和y方向的残余应力均将随之增大。此研究为降低激光增材制造熔覆层残余应力及工艺参量优化选择提供了指导。

为了保证船舰在海水环境中拥有足够的焊接强度和耐久性, 选用船用铝合金(5083-O)进行焊接试验, 模拟焊接接头在海水中的耐腐蚀性能。采用高适应性的激光-熔化极惰性气体保护焊复合焊接系统, 分别分析研究了激光功率、焊接电流、光丝距对铝合金焊接接头耐腐蚀性能的影响; 利用型号为CHI760D三电极化学工作站对不同焊接工艺参量下的铝合金焊接接头进行了腐蚀测试。结果表明, 自腐蚀电流密度随激光功率的增加呈先增大后减小再增大的趋势, 随焊接电流和光丝距的增加均呈“V”形规律变化, 即先减小后增大的趋势;当激光功率为3.0kW、焊接电流为200A、光丝距为3mm时, 接头组织以等轴晶为主, 且气孔等缺陷较少, 此时接头微观闭塞原电池效应微弱, 自腐蚀电流密度最小, 接头耐腐蚀性能相对较好。该研究对深入理解铝合金焊接过程中缺陷形成机理及提高接头耐腐蚀性能是有帮助的。