为提高U71Mn钢的耐磨性, 延长钢轨的使用寿命, 选择Stellite6粉、TiC粉和Y2O3粉为熔覆粉末, 采用激光熔覆同轴送粉技术在U71Mn钢基体表面制备钴基合金熔覆层。利用光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、显微硬度仪器、超景深显微镜、磨损试验机, 分析熔覆层宏观形貌、显微组织、物相组成、显微硬度、磨损形貌和摩擦磨损性能。研究表明, 在质量分数为10%TiC-钴基粉末中添加粉末总质量2%的Y2O3粉末, 可获得较好的单道熔覆层; 在激光功率为1 200 W, 扫描速度为5 mm/s, 送粉速度为1.0 r/min, 搭接率为40%时, 可获得表面最为平整的熔覆层。熔覆层显微组织由等轴晶和柱状晶组成, 熔覆层与基体冶金结合良好, 熔覆层主要由TiC、Cr7C3、Cr23C6、γ-Co和Co3Ti组成。熔覆层硬度最高可达572 HV, 平均硬度约为基体的1.8倍; 熔覆层磨损量为基材磨损量的3.83%, 钴基熔覆层的耐磨损性能显著提升。

利用激光超声技术, 研究生产中常见的弧形表面缺陷的无损检测方法。首先基于热弹机制建立弧形表面缺陷检测的有限元仿真模型, 探究不同尺寸参数的缺陷对表面波反射回波及透射波的影响; 然后采用经验模态分解法对带有缺陷信息的反射回波和透射波信号进行了分解, 提取相应特征频率的信号进行叠加; 最后根据超声特征参数的变化规律, 建立了缺陷深度的预测模型。结果表明, 利用透射波特征参数计算得到的缺陷深度与实际缺陷深度相比的最大误差仅为0.6%, 因此提出的预测模型具有较高的精度, 可用于弧形表面缺陷的现场检测。

采用激光同轴送粉技术制备Stellite6钴基熔覆层, 通过正交试验、单层单道、单层多道和多层多道工艺试验优化激光熔覆工艺参数。利用扫描电子显微镜、光学显微镜、X射线衍射仪表征了熔覆层显微组织结构, 同时分析了微观硬度和耐摩擦磨损性能。结果表明, 以熔覆层稀释率、成形系数和显微硬度为优化目标参数, 可有效筛选激光熔覆Stellite6涂层制备工艺。所制备Stellite6涂层组织均匀, 熔合线附近为平面晶, 涂层中部区域为树枝晶, 顶部区域为等轴晶。熔覆层物相由fcc-Co、(Co,W)3C与Cr23C6等组成, 平均硬度为457 HV。熔覆层耐摩擦磨损性能优于316L不锈钢基体, 其主要磨损机制为磨粒磨损。

激光多普勒测速技术具有非接触、无磨损、精度高等优点, 被广泛应用于工业、航海、航天等领域的高精度速度、加速度、长度测量。双光束激光多普勒测速技术作为其中的一个分支, 具有结构简单、抗干扰强的特点。为提升双光束激光多普勒测速技术的测量精度, 搭建一种测量圆周转动线速度的轴对称型双光束激光多普勒系统, 采用高速响应的探测器观测差频信号。当目标的线速度为1 596.6 mm/s时, 激光多普勒差频信号理论值是0.975 MHz, 测量角度为0°, 实验观测到的差频信号是1.013 MHz, 与理论值相比误差约为3.8%; 进而变换观测器的不同角度位置, 测量得到的多普勒频移和0°的频移误差在0.8%以内。结果表明, 该测量系统能够测量到运动物体的多普勒频移信号, 同时更改双光束激光多普勒测速的观测器角度, 不影响测量结果。该实验系统为后续进一步进行激光多普勒测速技术的研发打下了良好的基础。

高斯型掺铒光纤光源稳定性高, 可有效减小光纤陀螺相位误差, 从而提高光纤陀螺的测量精度。通过对掺铒光纤光源的经典结构进行理论分析, 提出了由双程前向结构和单程后向结构复合而成的双级单泵浦结构, 并对其进行光路结构仿真, 以确定最佳的光路参数范围。泵浦输出波长和功率的稳定性直接影响光源的功率稳定性和平均波长稳定性, 因此针对电流驱动型泵浦激光器设计了恒流驱动方案和恒温控制方案。试验结果表明, 所研制的掺铒光纤光源在-45~65 ℃的温度范围内, 全温功率变化率为8.27%, 全温平均波长稳定性为1.7×10-6 K-1。

使用磁控溅射制备了掺铒氧化铝薄膜, 对薄膜进行了退火处理, 测量薄膜的折射率和X射线衍射图谱, 发现薄膜在600 ℃的退火温度下呈非晶态, 在1.5 μm处的折射率为1.67左右。模拟模场分布, 获得光与掺铒层之间相互作用最大的波导结构参数, 并进一步优化制备条件, 实现侧壁光滑的低损耗掺铒氧化铝脊型波导。在1.31 μm的波长下, 2 μm宽度的氧化铝脊型波导的损耗为1.6 dB/cm, 和使用超快激光灼烧的方法所制备出的损耗为3.8 dB/cm氧化铝脊型波导相比, 损耗大为降低。结果表明, 掺铒氧化铝波导在平面集成波导放大器应用方面极具潜力。

目的: 依据低能量激光作用于尖牙的远中移动效果来评判低能量激光加速正畸牙齿移动的有效性。方法: 本次Meta分析步骤以PRISMA声明为依据, 应用计算机检索PubMed、Cochrane Library、Embase、CNKI、维普以及万方等数据库, 检索时间为2000年1月-2021年12月, 汇总所有随机对照试验, 应用RevMan5.3和STATE软件进行Meta分析。结果: 共纳入7篇研究, 累计224个样本量。Meta分析结果显示: 与对照组相比, 低能量激光组在治疗后7 d(WMD=0.360,95%CI=0.330~0.389,P＜0.05), 28 d (WMD=0.353,95%CI=0.141~0.566,P＜0.05), 60 d(WMD=0.301,95%CI=0.101~0.502,P＜0.05), 90 d(WMD=0.414,95%CI=0.179~0.650,P＜0.05)尖牙远中移动距离显著增加, 差异具有统计学意义。结论: 低能量激光作为正畸治疗辅助手段, 能有效促进正畸牙齿移动。

为了解决石油钻杆表面受交变载荷冲击导致的失效问题, 同时获取更高质量的耐磨涂层, 采用高速激光熔覆设备, 以JG-3铁基合金作为熔覆粉末, 在20CrMo钢表面制备合金涂层。以激光功率、扫描速度以及送粉速度为优化变量, 涂层硬度以及耐磨性为表征变量, 通过正交试验极差与方差分析获得最优参数组。结果表明, 极差分析中, 工艺参数对涂层显微硬度和磨损失重量的影响程度排序均为扫描速度＞送粉速度＞激光功率; 方差分析中, 显微硬度和磨损失重量的F值大小均为FB>FC>FA, 表明各因素对高速激光熔覆涂层性能的影响程度排序为扫描速度＞送粉速度＞激光功率, 这与极差分析结果一致。正交试验获得最优参数组合为: 激光功率900 W、扫描速度65 mm/s、送粉速度4 r/min。

为研究相对较低含量(质量分数≤15%)碳化钨镍基合金涂层中碳化钨对涂层性能的影响, 采用激光熔覆技术在316L不锈钢基体上制备了不同碳化钨含量镍基碳化钨复合涂层, 表征其组织形貌, 同时对比分析不同碳化钨含量复合涂层的硬度、耐磨性。结果表明, 涂层熔道顶部搭接处存在明显的分界线, 分界线上侧为细小等轴晶, 下侧为粗大的柱状晶; 碳化钨颗粒周围微熔形成析出物, 同时在熔池底部有聚集趋势, 且随碳化钨含量增大聚集趋势增大; 镍基复合涂层硬度和耐磨性随添加碳化钨含量增大而提升, 15%质量分数碳化钨复合涂层相较于纯镍熔覆涂层硬度提高约12.88%, 摩擦因数降低约19.62%, 磨痕形貌显示低含量碳化钨复合涂层中硬质颗粒的耐磨支撑作用相对较弱, 复合涂层整体硬度提升是耐磨性能增强的主要因素。

为明确胞元尺寸对正六边形薄壁蜂窝结构的轴向承载与压缩性能的影响, 通过选区激光熔化制备了直径10 mm、高度15 mm、壁厚0.1 mm、填充胞元尺寸分别为1.75 mm、2.25 mm、2.75 mm和5 mm的正六边形18Ni300薄壁正六边形蜂窝试样, 通过轴向压缩分析了试样的承载能力和缓冲吸能性能。结果表明, 胞元尺寸2.25 mm以上的试样压缩时发生叠缩变形, 且随着胞元尺寸减小, 单位体积承载力和比吸能增加; 但当胞元尺寸减小到1.75 mm时, 试样压缩时发生外翻撕裂破坏, 单位体积承载力和比吸能显著下降。

利用光学显微镜(OM)、X射线衍射(XRD)、电子背散射衍射(EBSD)等方法, 对比研究了热轧和选区激光熔化(SLM)成形316L不锈钢水平面(X-Y面)和建造面(X-Z面)显微组织特征。结果表明, 两种方法制备的316L不锈钢均主要由奥氏体相组成。与轧制合金相比, SLM制备的316L不锈钢有着更多的低角度晶界和亚晶界, 位错密度更大。其中, SLM成形316L不锈钢X-Y面存在平行于(110)方向上的织构, X-Z面存在平行于(001)方向上的织构。X-Y面上晶粒取向偏离(001)方向, 可能与重熔过程中复杂的热流有关; X-Z面在(001)方向上存在织构且在(001)的织构指数最大, 这是因为在SLM成形过程中, 晶体的生长方式与建造方向平行, 且晶粒沿着(001)方向散热最快, 因此晶粒沿(001)方向呈择优生长。

为提高仿人机器人的步行能效, 改善其动态平衡性能, 借助拓扑优化对机器人小腿进行轻量化设计, 小腿结构由分体装配式结构重新设计为一体化结构, 零件由11个减少为1个。通过相图热力学计算, 获得AlSi10Mg热物理性能, 在此基础上开展小腿的粉末床熔融增材制造AlSi10Mg工艺研究和粉末床熔融工艺仿真, 结果显示, 优化的激光工艺参数窗口为线能量密度90~210 J/m。在此基础上, 打印出成品, 最终实现了小腿打印件减重63.8%的目标, 满足了轻量化、一体化、力学性能和美观的统一。

将选择性激光熔化和飞秒激光减材技术相结合已被认为是实现复杂和精细结构近净成形的有效工艺。在SLM工艺中, 由于熔池的运动和熔道的重叠, SLM成形件的表面具有一定的周期性结构, 这对后续飞秒激光减材影响很大。研究首先测量SLM 制备Ti-6Al-4V工件的表面结构, 设计飞秒激光减材试验。通过试验和二维数值模型, 研究了飞秒激光减材加工过程中表面形貌的演变, 预测表面粗糙度值。仿真结果与试验结果非常接近, 误差仅为7.63%。此外, 该模型还用于研究正负离焦位置的表面移动速度和加工深度: 负离焦位置的表面移动速度和加工深度均大于正离焦位置。该关系揭示了飞秒激光减材过程中表面粗糙度降低的机理。

采用连续光纤激光对铝/钢异种材料进行激光搭接深熔焊, 研究接头的显微组织、元素分布、界面析出相及其失效机理。结果表明, 焊缝凝固过程中界面处形成岛状、块状及层状Fe-Al化合物, 它们较大的硬度与脆性导致材料自身具有较低的塑韧性。焊缝中裂纹的形成原因主要是界面脆性Fe-Al化合物的连续或集中分布, 降低了材料自身的变形能力。接头的断裂模式属于脆性断裂, 接头的失效主要是由于界面处Fe-Al脆性化合物导致的。

采用ANSYS对中厚板铝合金的激光-MIG复合焊接过程进行数值模拟, 分析激光-MIG复合焊接过程中温度场、残余应力及焊接变形的分布情况。结果发现, 由于工件表面与内部的散热速度差异, 温度场呈现中间高、周围低、以焊缝为中轴线的椭圆形分布。随着焊接的进行, 工件的等效应力在不断增大, 焊接过程中工件两侧出现＞300 MPa的高应力区; 随着工件的冷却, 工件两侧刚性固定面的应力集中开始不断消退, 且高应力区在工件冷却后消失。工件完全冷却后, 高应力区域主要集中分布在焊缝周围, 最高值可达175 MPa, 工件两侧应力分布较为均匀, 在125~130 MPa范围内。焊后工件总变形呈现以焊缝为中轴线的椭圆形分布, 焊缝两侧单位变形量最高可达0.19, 焊缝部位单位变形量为0.09。

采用了6 kW光纤激光器, 开展了车身三层搭接钢结构激光飞行焊工艺研究, 阐明了离焦量、焊接速度、焊接功率等主要工艺参数对焊缝熔宽、熔深、结合层宽度及典型缺陷等的影响规律, 建立了三层搭接板激光飞行焊接工艺窗口, 获得了成形良好的焊接接头。在此基础上, 进一步对接头抗拉性能进行分析并与电阻点焊焊接接头的性能进行对比。结果表明, 对于车身三层搭接钢结构, 激光飞行焊接头的最大拉力值达到12.64 kN, 是电阻点焊接头最大拉力值的1.98~2.47倍, 具有显著优势。

利用1 066 nm光纤激光晶圆标识系统开展晶圆标识工艺的研究, 通过控制变量法分别改变占空比、脉宽在晶圆表面标识SEMI T7码, 利用数码显微系统进行Dot形貌评估, 采用读码器进行读码测试。结果表明, 1 066 nm波长激光标识晶圆时有较宽的工艺窗口, 占空比10%~22%范围内Dot点形貌光滑、无飞溅; 脉宽对Dot点的形貌影响较大, 但是经读码器硬件和软件处理、优化后, 对读取时间影响较小。在占空比10%~22%及脉宽100~300 ns范围内, 均可以得到无飞溅、标识均匀、符合SEMI标识要求的标识。

为研究聚焦系统对晶圆标识工艺的影响, 搭建以1 066 nm的声光调Q脉冲光纤激光器为光源, 分别使用普通F-Theta透镜和远心F-Theta透镜的晶圆激光打标系统, 使用相同的工艺参数分别在晶圆表面进行点阵标识, 研究两种聚焦系统下晶圆的烧蚀阈值、离焦效果和点的形貌。采用白光干涉仪对晶圆标识区域的三维形貌进行评估, 研究发现普通F-Theta透镜与远心F-Theta透镜对晶圆的烧蚀阈值的影响区别不大。在离焦效果方面, 普通F-Theta透镜随着离焦量增加, 标识点直径逐渐变小; 而远心F-Theta透镜随着离焦量增加, 标识点直径先增大后减小。在打标范围内的标识质量方面, 两者在打标范围中心的标识质量基本相当, 离中心越远, 远心透镜也未能表现出更好的标识形貌。

利用纳秒脉冲激光诱导304不锈钢表面进行着色试验, 分析了纳秒激光诱导不锈钢表面着色的机理。首先, 通过激光器直接加工不锈钢样品表面, 研究了加工面积对着色均匀性的影响; 其次, 在标记中心处和偏离标记中心不同距离处进行小面积着色, 探究偏离标记中心距离对样本着色效果的影响; 最后, 利用激光器循环打标, 多轴数控平台往复运动进行着色效果改善试验。结果表明, 样品加工面积能够影响不锈钢表面着色的效果, 减小样品的加工面积可以使颜色更均匀; 随着偏离标记中心距离的增加, 样品表面的着色稳定性变差; 通过引入多轴数控平台辅助激光着色, 可有效提高不锈钢表面着色的稳定性, 降低色差值。