姚喆赫 1,2,3潘成颢 1,2,3迟一鸣 1,2,3陈健 1,2,3[ ... ]姚建华 1,2,3,*
1 浙江工业大学激光先进制造研究院，浙江 杭州 310023
2 特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室，浙江 杭州 310023
3 浙江工业大学机械工程学院，浙江 杭州 310023
超声复合激光制造技术通过施加外部超声以提升激光制造的加工能力与质量，已成为国内外研究热点。分析了当前超声复合激光制造技术涉及的耦合机理，并综述了超声在激光制造过程中的作用机制。根据超声振动模块与基体的接触模式将超声引入方式划分为固定接触式、移动接触式、非接触式，并分别阐述三种超声引入方式的优势与缺点。进一步，从增材、等材、减材制造三个方面全面讨论了不同超声引入方式和不同激光制造技术相结合的超声复合激光制造技术，探讨了不同复合制造技术的原理和技术特点，归纳了超声振动在激光制造过程中的影响规律。在当前研究进展基础上对超声复合激光制造技术的发展方向进行了展望。
激光制造 复合制造 超声振动 耦合机制 超声引入方式
1 北京航空航天大学机械工程与自动化学院，北京 100083
2 清华大学机械工程学院，北京 100084
3 浙江移动信息系统集成有限公司，浙江 杭州 310000
4 北京航空航天大学大型金属构件增材制造国家工程实验室，北京 100191
5 北京航空航天大学国际交叉科学研究院，北京 100083
人工智能在智能制造领域中起着举足轻重的作用。近年来，激光制造技术以其精度高、可控性强等优势而逐渐成为先进制造的关键技术，在航空航天、****、新能源汽车、生物医疗等重要领域中发挥了重要作用。与此同时，人工智能在激光制造中的模拟预测、参数优化、过程控制、质量分析等方面展现了巨大的应用潜力。主要从激光制造装备和工艺这两个方面出发，总结了激光制造领域中人工智能的研究现状与应用情况，并对人工智能和激光制造技术的发展方向及应用前景进行了展望。
激光技术 激光制造 人工智能 在线监测 过程控制 智能制造 中国激光
2023, 50(11): 1101005
1 厦门大学机电工程系，福建 厦门 361005
2 流体动力与机电系统国家重点实验室，浙江 杭州 310027
Overview: Microstructure sensor is a kind of sensor with a 2D or 3D micron-scale structure prepared by advanced manufacturing technology. It is used as a sensitive part to enhance the transmission characteristics of physical, chemical, and biological signals to the environment, and convert the external signals into electrical signals. The microstructure is generally a regular or disordered structure, usually in the shape of microspheres, microcolumns, microcones, microgrooves and micropores. The microstructures with different shapes can realize the functions of puncture, pressure transmission, vibration transmission, drug transmission, bioelectric transmission, heat transmission, sound transmission, gas adsorption, and so on. In recent years, researchers from all over the world have gradually attached great importance to the research on the manufacturing technology of microstructure sensors. At present, researchers have proposed the MEMS manufacturing processes, such as reactive ion etching and chemical vapor deposition, to achieve mass manufacturing of high-precision microstructures on flexible polymer materials and rigid materials. In addition, some researchers have also proposed the manufacturing processes such as template method, self-assembly, nanoimprinting, and soft lithography to realize microstructure manufacturing. However, the above-mentioned manufacturing processes usually cannot prepare microstructure in one step, which has the problems of complex process, high production cost, limited processing materials, and unable to control the microstructure morphology. In contrast, laser manufacturing technology has the advantages of non-contact processing, no mask, customizable manufacturing, etc. By optimizing the parameters of laser process (such as laser power, scanning speed, filling mode and scanning path), it can achieve efficient and low-cost manufacturing of microstructures with different sizes and shapes. Therefore, using laser manufacturing technology to realize microstructure manufacturing and applying it to bioelectricity, temperature, and pressure sensors has become a research hotspot in microstructure sensor manufacturing technology. Laser manufacturing technology mainly includes laser ablation, laser direct writing, laser induction, laser-template processing, etc. Laser ablation is an auxiliary heating process based on the thermochemical and thermophysical effects of a laser beam, which melts the materials to be processed to realize structural forming. Laser direct writing is a manufacturing process that focuses high-energy photon beams on the materials to be processed to produce a photochemical process, and manufacturing the structures through material removal. Laser-induced modification is a manufacturing process to change the physical and chemical properties of the materials to be processed. Laser-template processing is a manufacturing process that uses a laser to produce microstructure molds on silicon, glass, polymer, and other substrates, and then uses soft lithography technology to reverse die the structures on the molds. Based on the interaction between the laser and materials, the induction, removal, and migration of materials to be processed can be realized. By adjusting the laser processing mode and processing parameters, the controlled manufacturing of the 2D or 3D microstructures or the controlled preparation of functional materials for the sensitive units can be realized, breaking through the limitations of efficiency and cost of traditional manufacturing methods for microstructures. In this paper, the types, functions, and manufacturing technologies of microstructures are summarized and classified. The preparation processes of laser manufacturing technology and other advanced manufacturing technologies of microstructures are summarized. The applications of microstructure sensors prepared by laser ablation, laser direct writing, laser induction, and laser-template processing technology in bioelectric sensing, temperature sensing, and pressure sensing are described in detail. Finally, the development trend of the laser manufacturing technology for microstructure sensors is summarized and prospected.
激光制造 微结构 生物电传感器 温度传感器 压力传感器 laser manufacturing microstructure bioelectric sensors temperature sensors pressure sensors
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 江苏大学先进制造与现代装备技术工程研究院，江苏 镇江 212013
2 江苏大学机械工程学院，江苏 镇江 212013
激光-超声复合喷丸强化方法利用超声冲击波与激光冲击波复合效应调控微观组织与表面残余应力，进而改善金属材料的表面性能。以2024-T351铝合金为研究对象，开展了激光-超声复合喷丸强化实验，使用扫描电子显微镜分析了激光喷丸(LSP)、超声喷丸(UIP)与LSP＋UIP诱导的微观组织特征，并实验研究了LSP、UIP与LSP＋UIP对表面形貌、粗糙度、显微硬度、残余应力的影响规律。结果表明，相较于LSP，LSP＋UIP可显著降低材料表面粗糙度，同时促进表面晶粒细化，表面残余压应力幅值与表面显微硬度分别增加了25.8%与12.9%，获得了更优良的表面性能。
激光制造 激光喷丸 超声喷丸 表面性能 晶粒组织 残余应力 中国激光
2022, 49(16): 1602003
1 华中科技大学机械科学与工程学院, 湖北 武汉 430074
2 华中科技大学材料科学与工程学院, 湖北 武汉 430074
铝合金密度低、比强度高,是理想的新能源汽车车身材料,但表面氧化层的存在严重影响焊接质量。激光清洗是一种基于脉冲激光的热烧蚀作用去除表面氧化层的方法,具有非接触、可控性好等优点。激光清洗处理会使铝合金表面形貌发生明显变化,对后续加工(如焊接、涂装等)有显著影响。研究了6061铝合金激光清洗表面形貌的变化规律,并建立了表面自然氧化层的激光清洗工艺窗口;基于此窗口,构建了6061铝合金表面粗糙度变化函数模型,对工艺参数进行优化。结果表明:平均功率影响凹坑形貌的变化尺寸,进而改变表面粗糙度,随着功率由15 W升高至75 W,粗糙度逐渐增大;扫描速度和线间距影响相邻凹坑的搭接形貌,进而改变粗糙度,随着扫描速度由2000 mm/s升高至6000 mm/s,线间距由0.02 mm升高至0.06 mm,粗糙度先增大后减小。6061铝合金自然氧化层的激光清洗工艺窗口的参数为:平均功率为30~60 W,扫描速度为3000~5000 mm/s,线间距为0.03~0.05 mm,采用此窗口的工艺参数进行激光清洗后,粗糙度最大为1.584 μm。
激光技术 激光制造 激光清洗 铝合金 表面形貌 粗糙度 工艺参数优化 中国激光
2021, 48(22): 2202016
1 北京工业大学材料与制造学部, 北京 100124
2 南京中科煜宸激光技术有限公司, 江苏 南京 210038
3 中国科学院上海光学精密机械研究所, 上海 201800
采用激光-氩弧电弧复合焊接方法对核级高硅含钛奥氏体不锈钢的包壳材料进行对接焊接,通过正交试验研究焊接工艺参数对焊缝气孔率的影响,并对焊缝的显微组织及接头的力学性能进行分析。试验结果表明,提高焊速和离焦量可以明显降低气孔的数量和尺寸,在优化的焊接工艺参数条件下可以获得成形良好和无气孔缺陷的焊缝;焊缝区组织为单一奥氏体相,焊缝区中心为粗大的柱状晶,熔合线附近焊缝区的晶粒尺寸减小,并存在细小的胞状晶和等轴晶;热影响区组织与母材基本相同,但其晶粒尺寸略大于母材;焊接接头的平均抗拉强度为607 MPa,约为母材抗拉强度的73%,平均断后延伸率为6.5%;拉伸断口处存在大量的撕裂棱和韧窝,其为典型的韧性断裂;焊缝区域的硬度在160 HV0.1左右,约为母材硬度的60%;180°的面弯和背弯结果合格,接头性能满足核反应堆中核燃料组件对包壳材料的技术要求。
激光制造 材料 激光-氩弧复合焊接 高硅含钛奥氏体不锈钢 显微组织 力学性能 中国激光
2021, 48(14): 1402008
1 清华大学机械工程系摩擦学国家重点实验室, 北京 100084
2 上海交通大学材料科学与工程学院上海市激光制造与材料改性重点实验室, 上海 200240
纳米连接涉及纳-纳、纳-微-宏跨尺度的材料连接,其在微纳电子元器件及其系统、微纳光机电系统等互连封装制造和研发中起到越来越重要的作用。目前已研发了系列纳米连接工艺方法,但在高操控性能量输入、多材料选择、低损伤互连等方面均有各自的局限性。超快激光具有峰值功率密度极高、多材料适用、加工热影响区极小等显著优势,进而基于超快激光制造的纳米连接是一个重要的发展方向。以本团队及合作者的研究为主,阐述了纳米尺度材料超快激光连接的局域能量调控和异质连接界面冶金与能带修饰、基于超快激光纳米颗粒薄膜沉积的低温连接新技术,以及基于超快激光纳米连接的新型微纳器件的制造与应用。同时,指出了超快激光纳米连接所面临的挑战和发展趋势,为未来纳米连接的研究和应用提供参考。
激光制造 纳米材料 超快激光 纳米连接 脉冲激光沉积 界面冶金 微纳器件 中国激光
2021, 48(15): 1502001
北京航空航天大学机械工程及自动化学院, 北京 100191
电性能优良且成本低廉的铜微纳结构在柔性电子领域中展现出广阔的应用前景。激光直写因其快速灵活且可控性高等优势,成为铜微纳结构的高效加工方法之一。概述了微纳结构激光加工的技术特点,随后针对激光直写铜微纳结构展开论述。重点分析了前驱体成分及激光工艺参数对铜微/纳观结构及电性能的影响,探讨了激光直写在铜微纳结构可控制备中的优势。列举了所得结构在柔性电子器件制造中的典型应用场景,分析了典型器件的工作机理。此外,对激光直写微纳结构的未来发展趋势进行了展望。
激光制造 激光材料加工 纳米材料 纳连接 柔性电极
北京航空航天大学机械工程及自动化学院, 北京 100191
随着微电子器件需求日益迫切,由纳米材料构造的微纳结构在降低尺度并获得特征性能上有着极大的优势。纳连接是从纳米材料构筑微纳结构的有效途径,目前实现纳连接的手段主要包括热烧结、激光烧结等。对比研究了不同连接方法形成的银电极的电学性能及微观结构,并对银纳米材料间的连接机理进行了分析。结果表明,相比于自连接及热烧结,激光烧结在降低电阻率及保持纳米结构方面有着独特的优势,在激光诱导下,银纳米带可在低温下实现互连,形成交联网络结构,从而降低银电极的电阻率,并显著改善其柔韧性。激光烧结电极的电阻率低至1.88×10 -7 Ω·m,同时具有较好连接强度,经3000次弯折后电阻变化率仅为21.26%。
激光制造 银纳米带 自连接 激光烧结 纳米连接 银电极
