采用光纤连续激光开展4 mm等厚5083铝合金-TA15钛合金异种材料对接接头的焊接工艺试验。利用扫描电子显微镜(SEM)、背散射电子探测器和能谱仪(EDS)分析接头的界面微观组织的形貌、成分, 观察到激光偏置向Ti侧的接头界面反应区存在大量且微观形貌不同、分布不均的金属间化合物层。进而从热、力两方面分析不同形貌特征的金属间化合物层的产生原因。然后进行了常温拉伸性能测试, 分析断口形貌, 判断断裂发生在Al/Ti界面的TiAl相, 具有脆性穿晶断裂特征, 最高抗拉强度为150.73 MPa。

核生化洗消是核生化防护保障重要环节之一, 激光清洗技术具有洗消效率高、保障要求低、无洗消剂污染等独特优势, 可避免水+洗消剂等其他传统洗消方式存在的后勤负担大、腐蚀设备、使用环境受限等不足, 是核生化洗消的一个新的研究领域。简述了激光清洗技术的发展历程、研究进展, 重点综述激光清洗技术在放射性粉尘、化学、生物等有毒有害物质洗消领域的研究及应用, 结果表明针对单一基底与污染物, 激光洗消是有效的, 但对不同洗消对象与污染物的激光洗消参数还需要展开进一步研究。激光清洗技术作为一种新型的洗消方式在核生化领域前景好, 文章对激光清洗技术在核生化洗消领域的发展进行了展望。

扩散冷却、射频激励的板条结构CO2激光器具有效率高、体积小和光束质量好的优势, 在激光精密退火、工业加工等应用领域越来越被重视。高功率射频激励、扩散冷却板条CO2激光器在千瓦级及以上的CO2激光精密加工及微电子装备中占有重要地位, 已成为高功率、高光束质量连续CO2激光器的主流发展方向。就CO2激光器技术发展, 重点围绕射频驱动板条结构高功率CO2激光器技术的国内外研究动态进行了调研, 梳理了技术发展阶段及应用情况, 并对技术发展趋势进行了展望。

选区激光熔化中逐行逐层扫描粉末成形的熔道以及熔结表面在很大程度上影响制件质量。从选区激光熔化的工艺原理出发, 得到单行扫描优化的线能量密度范围, 进一步结合平均重熔率对多行扫描熔道搭接的介观表面形貌进行分析, 结果表明, 线能量密度在0.070~0.217 J/mm时, 熔道相对连续、线宽相对均匀; 多行扫描的平均重熔率过小会造成较大表面高度差, 过大会产生裂纹, 平均重熔率为18%~50%时能得到较为平整的熔结表面。

利用COMSOL软件, 基于射线追踪方法建立粉末层中激光能量吸收行为的三维介观尺度模型, 研究Ti6Al4V粉末粒径、粉末层厚度、粉末空间分布和粒径分布对激光选区熔化工艺中能量吸收率的影响, 并探究激光能量在粉末层中的传输规律。结果表明, 粉末粒径在5～60 μm之间时, 密排堆垛粉末层能量吸收率在63.06%～63.24%之间; 松散随机堆垛粉末层能量吸收率增加到69.37%～70.46%之间, 其能量吸收率沿扫描路径波动值在粉末粒径由20 μm增大到25 μm时, 从0.68%骤增到1.99%。粉末层能量吸收率对粉末粒径变化不敏感, 但考虑SLM扫描过程中能量吸收的稳定性, 应控制粉末粒径小于25 μm。在密排堆垛粉末层中, 粉末层激光能量吸收主要发生在粉末层表层, 渗透深度为30 μm左右, 在粉末层一倍粉末粒径深与基底处, 存在由孔隙中能量积累造成的吸收率陡增。松散随机堆垛粉末层中能量渗透深度为两倍粉末粒径左右, 故最优铺粉厚度为两个粉末粒径。粒径高斯分布与均一分布的粉末层能量吸收率分别为69.2%与70.3%, 存在相互替代可能性。研究结果可为激光选区熔化工艺中粉末材料的制备提供一定的理论依据。同时, 其计算模型可推广到其他粉末材料对激光能量的吸收率计算。

对激光选区熔化(SLM)制备的316L奥氏体不锈钢试样进行热处理, 选用MFT-R4000摩蚀磨损试验机、显微硬度测量分析系统和光学显微镜(OM)观察316L不锈钢耐磨性、硬度与磨痕宽度。结果表明:Z向随着退火温度升高, 试样硬度均呈下降趋势, SLM试样与880 ℃热处理后试样硬度相差较小, Y向硬度影响较小。载荷增大, 磨痕宽度随之增加, 在摩擦过程中存在氧化磨损、黏着磨损及磨粒磨损, 磨痕表面存在裂纹, 退火后裂纹减少且在880 ℃时磨痕表面较平滑, 质量较优。在一定范围内, 载荷对摩擦因数有一定的影响, 载荷增大, 磨损热升高, 氧化膜生成, 摩擦因数减小, 磨屑为塑性犁削; 载荷大于20 N时, 摩擦因数上升, 磨屑为脆性剥落。

碳纤维复合材料由碳纤维和树脂基体两种材料复合而成, 因为两者的热性能参数差距较大, 直接在空气中进行激光加工碳纤维复合材料会出现如较大的热影响区、纤维膨胀、纤维拔出和切面材料分层等损伤问题, 所以在激光加工碳纤维复合材料中, 对其热损伤的控制成为关键问题。本文对激光复合加工碳纤维复合材料的国内外研究现状进行综述, 重点聚焦在气体辅助和水辅助下两种激光加工方法的优缺点, 最后对两种情况下的激光加工质量进行分析并总结规律。气体辅助下, 不同的气体类型、不同的气压, 光气同轴或旁轴辅助会带来不同的加工影响; 水辅助有水射流、水层和水导加工三种形式。本文通过总结气/液辅助激光加工碳纤维复合材料的机理, 以平衡碳纤维和基体吸收激光能量差异性为目标, 为碳纤维复合材料激光低损伤加工提供参考。

水轮机转轮及叶片为水轮机的核心构件, 但在水轮机长时间运转过程中易出现不同程度的空蚀现象。激光增材再制造技术由于具有效率高、热输入低、结合性能好等特点, 可作为该类缺陷的有效修复手段。建立水轮机叶片激光增材再制造三维有限元模型, 计算激光增材再制造区域温度场和应力场的瞬态分布规律。结果表明, 激光增材再制造过程对水轮机叶片的温度、应力和应变影响主要集中在增材再制造区域附近。单道激光增材再制造热影响范围约为10 mm, 四道激光增材再制造热影响范围上升至25 mm。此过程所产生的变形极小, 在完成四道激光增材再制造后, 中心横截面所产生的最大变形为0.15 mm, 对水轮机叶片整体影响不大。

为优化激光制备表面微坑织构工艺参数, 提高缸套-活塞环摩擦副的摩擦学性能, 使用纳秒脉冲激光器在镀铬活塞环表面制备椭圆形微坑织构, 探究激光功率、加工次数、扫描速度与填充线间距对微坑形貌及尺寸的影响。结果表明:增大激光功率与重复加工次数、降低扫描速度与填充线间距可有效提高微坑深度; 微坑长径长度随激光功率增大而减小, 随加工次数的增加先增加后减小, 扫描速度与填充线间距对其影响较小。当加工参数为激光功率9 W、重复扫描3次、扫描速度200 mm/s、填充线间距1 μm、激光重复频率30 kHz时, 可以在镀铬活塞环表面加工出长半径200 μm、短半径150 μm、深度为38 μm的目标微坑。研究结果为激光在活塞环表面制备微坑织构及改善摩擦副摩擦学性能的实际应用提供指导。

非视域成像技术是一种新型光学成像技术, 主要是对拐角处的隐藏物体进行成像。针对目前成像设备复杂和需要场景扫描, 导致数据采集速度慢的问题, 提出采用纳秒激光和APD阵列探测器的透射式成像试验装置, 可以实现快速数据采集, 不需要进行场景扫描, 相比之前的系统大大缩短了数据采集时间。针对仅能在稀疏角度或有限角度下采集数据而导致图像重建结果差的问题, 提出使用最大似然期望最大化(maximize likelihood estimate maximization, MLEM)迭代算法进行隐藏物体三维图像重建。试验结果表明, MLEM迭代算法能够较好地重建隐藏物体的形状, 并有效抑制传统的反投影算法带来的伪影。对比反投影算法, 隐藏物体在深度位置150 cm处, 3次迭代(第3、6和10次)结果图的结构相似度(SSIM)值分别提高了0.232 1、0.387 8和0.438 9; 在深度位置190 cm处, 3次迭代(第3、6和10次)结果图的SSIM值分别提高了0.314 6、0.401 3和0.431 3。这表明MLEM算法对重建图像质量有较大提升。

为探究激光抛光中引入的波纹的形成原因, 通过纳秒光纤激光对718合金和304不锈钢进行了激光抛光, 考察激光抛光导致的波纹效应。结果表明:激光抛光产生的波纹(尺度为数十微米)与激光脉冲作用间距(10 μm)差别较大; 不同激光能量产生的波纹在幅度上有差别, 波纹的振幅随激光能量的减小而减小; 波纹波长随激光能量的变化不大, 具有一定的稳定性。根据试验结果, 波纹的产生是涉及材料对激光能量的吸收、熔体流动、材料蒸发甚至脉冲时序的复杂过程, 其根源在于激光交替作用于熔体和高温固体而产生的熔体流动差别。激光能量对波纹的影响机理为:激光能量过高时, 由于输入能量部分以熔体气化的方式消耗掉, 熔体厚度增大不明显, 波纹随能量的变化不大; 在产生气化较少的能量范围, 激光能量的降低将导致熔体厚度减小, 产生的波纹幅度减小。

利用激光器实现高光束质量、高峰值功率输出是近年来的研究热点。采用芯层与包层折射率匹配的方法, 同时利用模式竞争的选模特性, 通过模拟晶体波导芯层各阶模的相对增益, 计算出在腔内不同饱和光强下芯层的截止尺寸, 制备了大芯径尺寸晶体波导, 试验研究了大芯径尺寸晶体波导主动调Q脉冲激光器输出特性。采用芯径尺寸为320 μm×400 μm的1.0%(原子百分数)Yb:YAG, 包层尺寸为7 mm×30 mm的0.5%(原子百分数)Er:YAG, 长度为77 mm的单包层矩形晶体波导, 平凹腔电光调Q, 获得脉冲能量1.29 mJ@10 kHz, 脉冲宽度10 ns, 光束质量M2=1.15×1.10的输出。试验证明大芯径尺寸晶体波导主动调Q脉冲激光器可获得近衍射极限高峰值功率脉冲输出。

为明确ARJ21飞机近地阶段的尾涡观测效率及演化过程, 基于在双流机场开展的尾涡实地探测, 提出一种基于相关多普勒激光雷达径向风速的尾涡快速识别方法, 并基于此方法分析ARJ21飞机起降阶段的尾涡演化过程。结果显示, ARJ21飞机的尾涡在近地面处产生, 然后向下、向外扩散, 尾涡环量随时间变化逐渐减小, 但在特定的近地效应影响下, 会发生二次涡诱导主涡反弹现象, 涡核高度由13 m处上升至18 m处。同时, 侧风条件会加速ARJ21飞机的尾涡耗散, 并使其平移至跑道外, 尾涡持续时间由非侧向风下的约70 s缩减至侧风条件下的约42 s。

为减少6061铝合金搭接叠焊接头激光焊接缺陷, 采用激光摆动焊接方法, 研究光束摆动对焊缝成形质量、显微组织和显微硬度的影响。结果表明:无摆动焊搭接接头焊缝成形粗糙不均匀, 焊缝中心存在大量气孔; 激光摆动焊接可明显改善焊缝成形, 降低焊缝内部气孔率。当扫描幅值为1.0～1.5 mm, 扫描频率为100～300 Hz时, 激光摆动焊缝成形质量良好, 气孔率小于0.6%。与无摆动焊接接头相比, 激光摆动焊接头焊缝形状由Y形变为U形, 且焊缝区晶粒细化; 焊缝柱状晶长度由无摆动时的380 μm减小至130 μm, 等轴晶直径由120 μm减小至75 μm。激光摆动焊还可提高焊缝显微硬度, 焊缝区显微硬度由无摆动时的60 HV增大至65 HV。

为解决自动装车车辆检测和码垛规划问题, 设计基于三维激光成像的车辆特征识别和码垛规划系统。设计实现了激光三维扫描系统, 提出点云检校方法, 获取高精度三维点云; 设计基于点云的开放式货车车厢全特征识别算法, 经点云分割、特征识别和参数化, 获取车辆完整的特征参数检测; 基于检测结果设计了码垛规划器, 可直接用于装车机使用; 基于Linux嵌入式系统实现了系统控制、数据采集和处理。完成了超过1 000辆车辆的现场检测和码垛规划测试。系统检测精度优于5 cm, 单车检测和规划时间不大于40 s, 满足全自动装车机车辆检测和码垛规划要求。