1 中国空气动力研究与发展中心高超声速冲压发动机技术重点实验室，四川 绵阳 621000
2 北京工业大学材料与制造学部高功率及超快激光先进制造实验室，北京 100124
主动热防护构件作为航空航天领域的重要结构，光纤激光焊接是该类结构的优选制造工艺。苛刻的服役环境对焊缝成形、表面保护及气孔缺陷提出了很高的综合要求。基于侧吹保护的光纤激光非穿透深熔焊接工艺试验，采用超景深显微镜、数字RT检测及灰度处理等设备及方法，系统分析光气间距、气体输送角度、保护气输出长度及气体流量等参数对焊缝成形、焊缝保护效果及气孔的影响规律。结果表明，保护气流量及光气间距对焊缝形貌及气孔率影响较大，正值光气间距参数下焊缝气孔率较低，气孔率同保护气流量正相关。基于优化的气体保护参数，优化了喷嘴结构，实现了主动热防护凹槽三维构件的激光焊接制造，并通过台架测试。
光纤激光 主动热防护结构 侧吹保护 焊缝形貌 气孔缺欠 fiber laser active thermal protection structure side-blow protection weld morphology porosity defect
1 上海交通大学 微米/纳米加工技术国家级重点实验室
2 先进电子材料与器件平台
电磁作动器具有输出力大、行程长、无接触等优势, 在通信、自动测试、电力电子等领域有着广泛的应用, 但受限于体积大、制造工艺复杂, 难以满足相关领域电子系统向微型化、集成化的发展需求。针对上述问题, 应用平面型集成线圈及高深宽比微结构设计, 制造了一种微型化电磁作动器的原型样机, 初步测试结果表明, 器件的输出力可达毫牛量级, 输出位移大于50μm, 响应时间小于10ms, 为进一步开展相关器件研究探明了可行的技术路径。
北京工业大学材料与制造学部智能光子制造研究中心，北京 100124
采用光纤激光对GH3536进行了激光选区熔化(SLM)3D打印，对4 mm厚轧制 固溶态GH3128(R-GH3128)平板进行了对接焊接研究。利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)、X射线能谱分析仪(EDS)、显微硬度仪及拉伸试验机对焊缝成形、显微组织、显微硬度、接头强度及断口形貌进行了分析。结果表明，3D-GH3536/R-GH3128的焊缝组织主要为柱状晶和等轴晶，焊缝内直径小于50 μm的晶粒数量占比为62.2%。显微硬度测试结果表明，焊缝的平均显微硬度值为286 HV。拉伸试验结果表明，接头上下部分的抗拉强度基本一致，约为 3D-GH3536 母材的93%，断裂方式为韧性断裂。
激光技术 3D-GH3536/R-GH3128 微观组织 力学性能 3D打印 激光焊接 中国激光
2022, 49(22): 2202013
1 北京工业大学材料与制造学部高功率及超快激光先进制造实验室，北京 100124
2 中国空气动力研究与发展中心高超声速冲压发动机技术重点实验室，四川 绵阳 621000
基于侧吹保护条件下的光纤激光非穿透深熔焊接工艺，模拟了构件的服役环境，对GH3128搭接接头进行了不同循环次数的900 ℃真空热处理，并对接头组织和显微硬度、室温与高温拉伸及蠕变拉伸性能进行了分析测试，通过分析组织与断口，对GH3128搭接接头的高温力学性能进行了评估。研究结果表明，与无热处理接头相比，热处理后的接头的室温与高温拉伸性能分别提升了35%和20%，蠕变性能大幅提高。接头组织分析结果表明：热处理后的接头枝状组织消熔，晶粒呈粗大等轴晶状态；各断口均呈现出“抛物线”状韧窝，开口方向与拉伸力方向一致，呈韧性断裂特征，且无显微裂纹产生；热处理次数对接头显微硬度、室温及高温拉伸性能的影响不大；随着热处理次数的增加，接头蠕变性能呈减小趋势。
光纤光学 激光焊接 GH3128 搭接接头 高温拉伸 蠕变性能 中国激光
2022, 49(21): 2106003
北京工业大学材料与制造学部高功率及超快激光先进制造实验室，北京 100124
采用6 kW多模光纤激光器进行了Ta-10W难熔合金的光纤激光焊接工艺研究。利用高速摄像机、光学显微镜、扫描电镜、显微硬度仪及拉伸试验机对焊缝成形、熔池形态、飞溅物形态、显微组织、显微硬度、接头强度及断口形貌进行分析。研究结果表明，在焦点位于板材表面且焦点直径为0.3 mm的聚焦参数下，当焊接速度为2～3 m/min，激光功率为1.5～2.0 kW时，焊接模式由热导焊转变为深熔焊。Ta-10W深熔焊时焊缝成形良好，焊接飞溅大且飞溅物不易附着于板材，焊缝呈钉头形。3 mm厚对接接头的焊缝组织主要为柱状晶，在焊缝靠上的位置，主要为垂直于板厚方向的细长晶粒；在焊缝中部与下部，形成的则是细等轴晶粒。拉伸试验结果显示，接头的室温拉伸强度为506.5 MPa，约为母材的92.1%；1500 ℃高温拉伸强度约为140.9 MPa，接头断裂在母材处。
激光技术 Ta-10W 难熔合金 激光焊接 微观组织 力学性能 中国激光
2022, 49(16): 1602006
1 北京工业大学材料与制造学部，北京 100124
2 北京卫星制造厂有限公司，北京 100190
深空探测是21世纪人类进行空间技术创新、太空资源探索与利用的重要途径，准直器是深空探测器的关键部件。大深度、高空间分辨率栅格准直器的制造在国际上一直是个难题。本文以我国自主研制的硬X射线调制望远镜卫星(HXMT)中能望远镜高精度准直器为例，介绍了自主研发的大深度、高空间分辨率准直器跨尺度栅格结构的激光精密微焊接制造方法、关键工艺技术及成套装备。对于壁厚为70 μm、准直孔尺寸为1.17 mm×4.68 mm、深度为67 mm的钽片跨尺度栅格结构，准直孔尺寸精度控制在±20 μm之内。
中国激光
2022, 49(10): 1002402
西安电子科技大学 超高速电路设计与电磁兼容教育部重点实验室, 西安 710071
设计了一种无均流外环并联DC-DC变换器, 采用平均电流模式控制, 通过控制最大编程电感电流, 实现并联变换器的精确均流。采用小信号模型分析了并联变换器的均流误差和稳定性, 电路实现了稳定的电流特性和快速的瞬态响应, 具有优良的负载电流调节能力。仿真结果表明, 该电路的均流误差在8‰以下, 并联变换器在重载和轻载之间跳变时, 1.5 ms内可恢复均流平衡, 新插入变换器在0.7 ms时刻可重新建立均流平衡。
DC-DC变换器 均流 并联 DC-DC converter current sharing paralleled
北京工业大学材料与制造学部智能光子制造研究中心, 北京 100124
采用光纤激光焦点旋转的焊接方法进行2 mm厚2060铝锂合金薄板填丝(ER4047)焊接试验。利用高速摄像仪观察焊丝熔滴过渡行为及熔池流动行为,采用光学显微镜、能谱仪、X射线衍射仪、扫描电镜、显微硬度仪及拉伸试验机对焊缝成形质量、气孔形貌、显微组织、化学成分、断口形貌、硬度及接头强度进行分析。结果表明:旋转的激光焦点周期性地作用在熔池及焊丝末端,致使熔池长度增加,熔池流动更平稳且波动幅度减小;焦点旋转可以有效改善焊缝成形,抑制飞溅和气孔的产生;焊缝等轴细晶区的宽度及该区的晶粒尺寸减小,靠近细晶区的柱状晶尺寸也有所减小。与非激光焦点旋转焊接接头相比,激光焦点旋转焊接接头熔合线附近的显微硬度和强度略有升高,接头断裂在熔合线附近,断口呈混合断裂特征。
激光技术 铝锂合金 填丝焊接 光纤激光 焦点旋转 组织 力学性能 中国激光
2021, 48(22): 2202012
北京工业大学材料与制造学部智能光子制造研究中心, 北京 100124
采用基于焊丝深熔模式的熔钎焊方法,进行了1060铝合金和T2紫铜异种金属的激光填丝焊工艺研究。利用高速摄像机观测焊丝熔化的过渡行为,采用光学显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜、显微硬度仪及拉伸试验机对焊缝形貌、接头组织及性能进行表征。结果表明,采用不同的坡口形式和尺寸,使激光束在坡口中的作用位置偏向铜侧,这有利于焊缝成形。熔钎焊接头成形良好,无咬边缺陷。接头拉伸强度可达铝母材的80%,接头断裂发生在界面层,断裂方式为脆性断裂。在焊缝界面层,存在笋状和胞状的铝/铜金属间化合物。XRD检测结果表明,金属间化合物由Al2Cu相和Al4Cu9相组成。界面层在铜侧钎焊区中部及下部分布均匀,厚度约为20 μm。
激光技术 异种金属 深熔模式 填丝熔钎焊 坡口形式 组织性能 中国激光
2021, 48(22): 2202013
北京工业大学激光工程研究院高功率及超快激光先进制造实验室, 北京 100124
薄壁密集焊缝结构是航空航天、造船及轨道交通等领域的重要结构形式,光纤激光焊接是该类结构有效、可靠的加工方法。构件变形和尺寸收缩是该类构件密集焊接时面临的两个主要技术难题。采用高频随焊冲击的方法进行相关试验,分析该方法对焊缝形貌、表面应力、焊接变形及尺寸收缩的影响规律。通过搭建专用装置模拟了薄壁密集焊缝结构的焊接,将随焊高频冲击位置设置在熔池后方的高温焊缝区。试验结果表明:针对GH3128高温合金薄板,该方法可将焊缝焊后的纵向残余应力由无冲击时的均值390.9 MPa调整为116.1 MPa,减小了约70%;该方法可将构件垂直于焊缝方向的翘曲变形量降低74.5%,将沿焊缝方向的尺寸收缩降低80%;针对06Cr19Ni10材料的圆筒形薄壁构件的多道焊接试验,随焊高频冲击可将构件的尺寸收缩由无冲击时的0.95 mm减小到0.29 mm。
激光技术 光纤激光焊接 随焊高频冲击 薄壁结构 尺寸收缩 焊接变形
