为了满足金属与聚合物在工业轻量化中的连接需求，采用半导体连续激光器对钛合金TC4和碳纤增强聚合物PBTCF30材料进行激光连接实验研究。通过在钛合金表面进行织构预处理，可使接头在激光连接后获得机械铆接从而提高其强度；将接头剪切强度和预处理时间作为响应，并根据两响应与相关工艺参数之间的关系，利用响应曲面法建立数学模型，分析了织构扫描直径、织构扫描间距、织构扫描次数、激光连接功率和激光连接速度对接头剪切强度及预处理时间的交互式影响，最后通过加速粒子群优化（APSO）算法获得最优解。结果表明，对接头强度影响最大的三个参数组合为：扫描间距-扫描次数、扫描次数-连接速度、连接速度-连接功率。模型验证及优化结果验证表明，所建模型的预测值与实验值吻合较好，模型可靠。
激光技术 表面织构预处理 工艺参数优化 响应曲面法 加速粒子群优化 激光与光电子学进展
2023, 60(21): 2114003
动态压实是一种有显著优势的制备粉末冶金零件压坯的压实方法。本团队提出了一种利用激光冲击实现的高应变率(106～107 s－1)加载的粉末动态压实方法，并系统研究了激光能量、粉末形态和冲击次数对铜粉压坯显微形貌、相对密度与显微硬度的影响。研究结果表明：随着激光能量增加，铜粉压坯内部孔隙逐渐减少，边缘成型质量趋于良好，相对密度逐渐提升至91.35%。综合比较三种形态铜粉压坯的性能可知，球形铜粉压坯可达到的最大相对密度要高于不规则铜粉压坯，小粒径(0.2～2.0 μm)球形铜粉最终压坯的相对密度要高于大粒径(10～20 μm)球形铜粉最终压坯的相对密度。分析压坯微观结构可以发现球形铜粉颗粒之间主要通过固态压焊机理进行连接，而不规则铜粉颗粒间则通过固态压焊和机械内锁机理进行连接，其中的机械内锁使得压坯的连接强度相对较高。第一次用较小能量冲击而第二次用大能量冲击可以减小材料硬化对压坯性能提升的影响。本团队采用360 mJ+1800 mJ二次激光能量冲击成功地将最终铜粉压坯的相对密度提升至96.5%。
激光技术 激光冲击 动态压实 铜粉 显微硬度 中国激光
2022, 49(22): 2202012
采用激光冲击压印技术制备具有多级沟槽微织构的疏水性铜箔表面。首先通过激光标刻制备具有多级沟槽特征的微模具，然后通过激光冲击压印技术将微模具上的多级沟槽微织构复制到工件表面。研究了冲击次数、软膜厚度对工件多级沟槽微织构疏水表面的表面形貌、静态接触角的影响。结果表明：当冲击次数从1次增加到7次、软膜厚度从300 μm减少至100 μm时，工件表面复制微织构的程度逐渐变大，同时表面的静态接触角增大，疏水性增强。通过对工件微织构表面元素及其成分的测量发现，采用激光冲击压印技术制备的具有多级沟槽微织构疏水表面在空气、水以及质量分数3.5% NaCl溶液中放置21天后，仍保持为疏水性，体现出该工艺制备的疏水表面具有良好的时效性。
激光技术 激光冲击压印 沟槽微织构 疏水性 时效性 激光与光电子学进展
2022, 59(17): 1714006
热塑性聚合物与轻质金属在工业轻量化设计中的连接需求越来越多,激光直接连接技术是实现异质材料连接的重要手段。针对5052铝合金与聚对苯二甲酸丁二醇脂(Polybutylene terephthalate, PBT)激光直接连接存在高反光性与连接强度不高的问题,提出对铝合金的光照上表面进行涂黑处理以提高对激光能量的吸收率,并对铝合金下表面连接处进行局部激光氧化处理以提高铝合金与 PBT 的激光直接连接强度。分析了激光表面氧化处理对铝合金表面的几何形貌、粗糙度和氧含量的影响,并对激光直接连接机理进行了探究。研究结果表明:氧化处理后的铝合金表面形成了微纳结构,表面粗糙度和氧含量增大,表面润湿性能得到明显改善,氧化处理促进了铝合金与PBT之间的锚固连接;X射线光电子能谱仪(XPS)分析发现,铝合金与PBT之间形成了Al—O—C和Al—C化学键,化学连接有效地提高了连接强度。
激光技术 激光直接连接 激光表面氧化 氧含量 连接强度 连接机理 中国激光
2021, 48(22): 2202019
1 江苏大学 机械工程学院,镇江 212013
2 常州市大型塑料件智能化制造重点实验室,常州 213164
异种相容聚合物因温度属性差异导致焊接效果不佳,为提高其激光透射焊接强度,采用了在激光透射焊接时辅助使用红外加热灯加热具有较高熔融温度的上层材料而改善焊接强度的新方法。从光学属性、温度属性、相容性和上层材料吸热测试4个方面对可焊性进行了理论和实验分析；采用响应面法进行工艺参量优化,取得了最佳工艺参量组合；使用3维显微镜研究了焊件断面形貌及失效形式,并分析了焊缝处气泡对焊接性能的影响。结果表明,使用红外加热灯辅助焊接的最大剪切力能达到激光直接透射焊接时的1.5倍左右。红外加热灯的辅助加热作用是有效解决异种聚合物因温度属性差异大而导致焊接效果不理想问题的一种新途径。
激光技术 红外加热 激光透射焊接 异种聚合物 laser technique infrared heating laser transmission welding heterogeneous polymers
1 江苏大学 机械工程学院, 镇江 212013
2 常州市大型塑料件智能化制造重点实验室, 常州 213164
为了解决激光透射难以实现连接聚苯乙烯与钛的问题, 采用氧等离子体处理后的聚苯乙烯与经激光表面处理的薄钛进行了激光透射连接。建立了激光透射连接工艺参量的数学模型, 分析了工艺参量对连接强度的交互式影响, 得到了优化工艺参量。结果表明,经过处理后的聚苯乙烯与薄钛再进行激光连接时, 其连接强度从0.5MPa提高到6.0MPa以上, 有效解决了聚苯乙烯与钛的激光透射连接难题; 通过优化工艺参量可获得最优的工艺参量组合。该研究为此工艺的工业应用奠定了基础。
激光技术 工艺参量优化 激光透射连接 响应曲面法 氧等离子体处理 表面处理 钛 聚苯乙烯 laser technique process parameter optimization laser transmission bonding response surface method oxygen plasma treatment surface treatment titanium polystyrene
1 江苏大学机械工程学院, 江苏 镇江 212013
2 常州信息职业技术学院常州市大型塑料件智能化制造重点实验室, 江苏 常州 213164
基于参数实验设计,对影响铜-镍多层复合薄板激光弯曲成形的工艺参数进行了筛选;采用中心复合实验设计进行了实验规划,利用响应面建立了工艺参数与弯曲角度之间的数学模型,揭示了各工艺参数的交互式影响规律。采用满意度函数对工艺参数进行了优化,得出了理想的参数组合。
激光技术 激光弯曲成形 多层复合薄板 响应面分析 实验设计与优化 激光与光电子学进展
2018, 55(6): 061404
1 江苏大学机械工程学院, 江苏 镇江 212013
2 上海交通大学机械与动力工程学院, 上海 200240
利用响应曲面法建立了管材激光弯曲成形弯曲角度的工艺模型, 并设计实验验证了模型的可靠性。通过该模型分析了自由端距离、辐射长度、扫描包角和扫描次数等工艺参数对弯曲角度的交互影响。结果表明, 自由端距离、扫描次数和辐射长度对弯曲角度有显著影响, 扫描包角对弯曲角度影响不大；辐射长度与扫描次数间的交互作用较弱, 与自由端距离具有较强的交互作用。
激光技术 激光弯曲成形 响应曲面法 管路系统 工艺模型 激光与光电子学进展
2017, 54(8): 081403
研究了一种多层金属复合板激光冲击柔性微成形(LSFF)的新工艺,验证了该工艺的可行性, 发现在合适的工艺参数下,成形件没有层裂或裂纹等缺陷。研究结果显示, 在LSFF下, 镍/铜/镍金属复合板的成形深度介于铜箔和镍箔的之间,且成形深度随着激光能量和激光冲击次数的增加而增加。成形件表面发生了粗化现象, 且其粗糙度随着激光能量的增加而增加。
