1 中国科学院力学研究所，北京 100190
2 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
3 中国科学院大学工程科学学院，北京 100049
4 北京京东方真空电器有限责任公司，北京 101500
为了考察保护气氛中氧含量对焊接质量的影响，对304不锈钢板和镍板进行了激光焊接实验，研究了不同氧含量下的焊缝形貌、组织、成分、硬度分布以及拉伸性能。结果表明，随着保护气中氧气含量的增加，熔池熔深增大，宽度减小，几何不对称度增大，焊缝表面氧化程度加重。当保护气分别为纯氩气和21%(体积分数)氧气时，熔池底部均为柱状晶；当保护气为纯氩气时，熔池顶部为柱状晶和等轴晶的混合晶，加入21%氧气后，熔池顶部为等轴晶。加入21%氧气后，拉伸强度略有增加，焊缝元素的分布更均匀，晶粒度更小，因此显微硬度增大，且在熔池区域内的变化趋于平缓。活性元素氧改变了表面张力系数，引起了熔池内流动与传热模式的变化，并进一步引起接头形貌、组织与性能的变化。因此，可以通过调整保护气中的氧含量来调控焊接质量。
激光技术 异种金属 激光焊接 活性元素 熔池形貌 显微组织 中国激光
2022, 49(16): 1602004
1 中国科学院力学研究所，北京 100190
2 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
3 中国科学院大学工程科学学院，北京 100049
4 北京京东方真空电器有限责任公司，北京 101500
利用高功率密度激光开展CuCr50合金表面快速熔凝改性实验，研究扫描速度对材料熔凝改性层深度、显微硬度、表面粗糙度以及拉伸和断裂特性的影响。结果表明：随着扫描速度由2000 mm/min增加到8000 mm/min，熔凝层平均深度从（486.2±32.8）μm降至（26.8±13.4）μm，平均硬度值由203 HV提升到250 HV，较基体硬度（85 HV）提升了约3倍；表面粗糙度随着扫描速度的降低而增大；单侧表面激光熔凝处理后材料的屈服强度较未处理材料提升了16.5%~28.0%，基体断裂主要是以沿晶界扩展的沿晶断裂，熔凝层断口呈现出等轴韧窝状的断裂特征。表面改性后CuCr50合金的硬度和强度均有大幅提升，通过改变扫描速度可以获得综合性能较好的激光表面改性效果。
激光技术 表面改性 扫描速度 CuCr合金 显微组织 力学性能 激光与光电子学进展
2022, 59(1): 0114006
1 中国科学院力学研究所, 北京 100190
2 中国科学院大学材料与光电研究中心, 北京 100049
3 中国科学院大学工程科学学院, 北京 100049
通过耦合温度场、熔池流场、多组分浓度场建立三维数值模型,并结合正交参数设计与极差分析研究了工艺参数对Ni/304SS激光传导焊接中接头元素重分布的影响。以Fe元素为研究对象,量纲分析结果表明,焊接过程中合金元素的输运机制由熔池对流主导。用流入Ni侧的Fe元素平均含量表征熔池中的元素分布情况,设计了L25(5 3)正交模拟实验,并通过极差分析研究工艺参数的相对重要性。结果表明,扫描速度的极差为9.45%,光斑偏移量的极差为9.17%,功率的极差为1.11%。流入Ni侧的Fe元素平均质量分数与扫描速度负相关,与偏移量正相关。此外,适当降低扫描速度并将光斑向304SS侧偏移有利于Fe元素的稀释,使其分布更均匀。
激光技术 激光焊接 数值模拟 多物理场模型 元素分布 工艺参数 中国激光
2021, 48(18): 1802013
1 中国科学院力学研究所, 北京 100190
2 中国科学院大学工程科学学院, 北京 100049
针对铜铬合金激光表面改性质量快速无损检测的需求,提出了一种基于机器视觉的检测算法。首先采集试样表面形貌图像,然后使用自适应二值化方法从背景图像中分割视觉显著区域,再基于几何矩提取具有空间变换不变性的连通域形状特征,最后依据激光能量输入定义4种基本改性状态并训练支持向量机,以检测改性质量。使用MATLAB语言实现上述算法,结果表明:本文算法在特征提取及模型训练阶段的耗时约为45 s,检测速度为5×10 6pixel/s,检测准确率为97.0%。依据检测结果可进行相应的工艺参数优化。所提算法对光照等检测环境不敏感,可以实现激光表面改性质量的快速无损检测,且对工艺参数优化具有一定意义。
激光技术 表面改性 机器视觉 快速检测 特征提取 支持向量机 激光与光电子学进展
2020, 57(21): 211407
Author Affiliations
Abstract
1 College of Electrical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China
2 Southwest Institute of Technical Physics, Chengdu 610041, China
The point clouds scanned by a 3D laser scanner may be affine transformed when the size and posture of the objects being scanned are different. This type of problem is common, but few algorithms can solve it. Therefore, this Letter proposes a parallel registration algorithm. The algorithm eliminates the effects of the affine matrix in the point cloud, based on a simple whitening operation. Moreover, it also has strong anti-noise performance. The algorithm proposed in this Letter is not only simple in structure, but also shows excellent effects in practical applications and simulations.
point cloud affinity parallel registration Chinese Optics Letters
2020, 18(7): 071001
1 中国科学院力学研究所, 北京 100190
2 中国科学院大学工程科学学院, 北京 100049
3 美国西北大学机械工程系, 埃文斯顿 60208 美国
利用激光熔覆技术在38MnVS6钢基体上熔覆了CoCrW 粉末,研究了不同扫描速度下基体中活性元素对涂层形貌和组织的影响。结果表明,当送粉速率为5.60 g·min
-1,扫描速度小于5 mm·s
-1时,涂层的熔深较大,涂层与基体的结合线向下凹陷;当扫描速度大于6 mm·s
-1时,涂层的熔深较小,涂层与基体的结合平整光滑。送粉率的增大使得涂层的形貌发生变化。基体中硫元素的含量决定了涂层表面张力温度系数,改变了熔池中马兰戈尼对流方向,并最终影响涂层的成分和组织。
激光技术 激光熔覆 活性元素 形貌 显微组织
中国科学院力学研究所先进制造工艺力学重点实验室, 北京 100190
针对送粉式激光熔覆的特点，基于生死单元法建立了一种可以同时计算瞬态温度场及熔覆层几何形貌的三维数值模型，模型中考虑了送粉过程中激光能量的衰减和粉末颗粒的温升。基于该模型对送粉式激光熔覆过程中的温度场分布和几何形貌特点进行了分析。结果表明，在熔覆开始较短时间后，工件的瞬态温度分布与熔覆层几何形貌基本保持稳定。进行了不同送粉速率下的送粉式激光熔覆试验，对比了熔覆层横截面几何形貌的试验结果和计算结果，熔覆层表面轮廓线与试验结果基本保持一致，熔覆层的宽度、高度和熔深与试验结果基本吻合，说明了所建立的激光熔覆层几何形貌计算模型的有效性和可靠性。
激光技术 激光熔覆 数值模拟 几何形貌 瞬态温度场 中国激光
2013, 40(12): 1203007
中国科学院力学研究所先进制造工艺力学重点实验室, 北京 100190
在同轴送粉激光熔覆过程中，粉末流是影响熔覆质量的重要因素。为了提高粉末流的汇聚性，考察粉末性质对粉末流场的影响，建立了同轴送粉激光熔覆粉末流数值模型。模拟计算了NiCoCrAlY、ZrO2、W三种典型粉末的粉末流形貌，并进行了粉末流的验证实验，实验结果与计算结果趋势吻合，说明模型具备合理性与可靠性。基于该模型，深入研究了粉末粒径、形状、密度和碰撞弹性恢复系数对粉末流汇聚的影响规律，在特定送粉工艺参数下，在粉末粒径增大时，汇聚焦距减小，汇聚浓度在一定粒径范围内达到最大值；在粉末形状系数或者密度增大时，汇聚焦距减小、汇聚浓度增大；在粉末颗粒的恢复系数减小时，汇聚焦距与汇聚浓度都增大。
激光技术 激光熔覆 数值模拟 粉末流
钛合金与钢焊接易生成金属间化合物, 对焊缝性能有显著影响。为探索钛合金与钢激光焊接的可行性, 对钛合金与合金钢进行了激光焊接工艺实验, 对比了钛合金与合金钢激光对焊、激光搭接焊及激光搭接熔钎焊三种工艺。利用金相显微镜、扫描电镜、能谱及 XRD对焊缝微观结构、断口形貌及元素成分进行了分析。结果显示, 钛合金与合金钢激光对焊与搭接焊熔池中元素扩散充分, 生成脆性金属间化合物, 使焊缝塑性降低甚至开裂。激光搭接熔钎焊方法通过优化焊接过程热输入, 可以控制熔池大小, 减缓元素扩散, 抑制金属间化合物的形成, 将金属间化合物的分布控制在有限区域内, 有助于提高钛合金与钢的焊接质量。
激光焊接 搭接熔钎焊 工艺实验 金属间化合物 laser welding lap brazing process experiments intermetallic compounds
中国科学院力学研究所先进制造工艺力学重点实验室， 北京 100190
为了得到同轴送粉激光熔覆中激光束穿过粉末流后的能量变化，研究了粉末浓度分布对激光能量的衰减作用。模拟了稳态、存在基底和熔池的情况下粉末流的空间分布，通过粉末浓度与激光能量衰减的关系，得到了任意粉末分布及激光能量分布下的衰减率。研究了基底对气流场的作用以及基底对粉末的反弹作用两种因素对粉末浓度分布的影响，并比较了平顶形光束在不同熔池尺寸和送粉率下的衰减率。结果表明，存在基底时粉末流对激光的衰减率比无基底作用时一般高2倍以上，与送粉率成正比，在熔池尺寸较小时与其大小成反比。
激光技术 激光熔覆 粉末浓度 能量衰减
