南京理工大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210094
本文利用宏观传热传质与微观组织演变耦合模型，对激光焊接IN718合金的宏观传热传质、微观组织演变过程进行了定量模拟。通过流体体积（VOF）方法对宏观传热过程的熔池形貌与温度场分布进行模拟计算，用温度场分布替代相场控制方程中的相关凝固参数，并将其代入到相场模型中进行微观组织演变过程模拟。结果表明：宏观温度场中1~4位置处模拟所得微观组织均呈柱状晶结构；沿着熔池自上而下，凝固速度R由6.7 mm/s到3.1 mm/s逐渐减小，温度梯度G由410 K/mm到673 K/mm逐渐增大，对应的冷却速率G·R由2747 K/s到2086.3 K/s不断下降；1~4位置处的枝晶间距随着冷却速率下降由4.52 μm增大到7.12 μm，与实验结果一致；在柱状晶间隙的液相位置处，Nb元素含量显著升高，且越靠近柱状晶底部Nb元素含量越高，其质量分数最高达到了7.377%；模拟得到的Laves相中Nb元素的分布呈液滴状，与实验所得Laves相的分布近似一致。
激光技术 激光焊接 镍基合金 数值模拟 相场模型 凝固组织 中国激光
2024, 51(12): 1202102
南京理工大学受控电弧智能增材技术工业和信息化部重点实验室，江苏 南京 210094
采用选区激光熔化（SLM）技术制备高氮钢构件，研究了激光体积能量密度对氮含量、致密度、物相组成、拉伸性能的影响，探索了高氮钢强韧化机制。研究表明：在体积能量密度从190.5 J·mm-3增大到285.7 J·mm-3的过程中，增材件致密度与拉伸性能呈先升高后降低的变化趋势。当激光扫描功率为200 W、扫描速度为400 mm/s、体积能量密度为238.1 J·mm-3时，试样的氮含量（质量分数）为0.76%，致密度为99.8%，抗拉强度为1275.0 MPa，延伸率为14.7%，力学性能最佳。合适的激光能量密度有助于提高材料的致密度，增加氮在材料中的溶解度，过饱和的氮在奥氏体晶格中起到固溶强化的作用，进而提升增材构件的抗拉强度及延伸率。变形过程中的形变诱导铁素体相变（DIFT）效应使部分奥氏体向铁素体转变，对材料的强度及韧性均有提升作用。
激光技术 激光增材制造 高氮钢 选区激光熔化 显微组织 形变诱导铁素体转变 力学性能 中国激光
2022, 49(22): 2202021
1 南京理工大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210094
2 东南大学附属中大医院骨科，江苏 南京 210009
为了获得飞秒激光工艺参数对生物组织融合效果的影响规律，基于单因子试验法，分析了激光功率、离焦量等工艺参数对离体皮肤组织融合形貌、切口抗拉强度及热损伤的影响规律。结果表明，激光功率及扫描速度对焊后离体皮肤组织外观形貌及切口抗拉强度具有重要影响，激光功率对组织热损伤具有决定性影响；降低激光功率及扫描速度，采用多次重复扫描方法，焊后离体皮肤组织的切口抗拉强度较大；在保证一定连接强度的条件下，焊接后组织热损伤参数在10－3数量级左右。在此基础上，对工艺参数进行优化，结果表明，在该工艺条件下，组织切口可实现全层融合，外观形貌良好，热损伤低于采用连续激光得到同等抗拉强度时组织所产生的热损伤。
医用光学 组织焊接 激光材料加工 热效应 组织性能 参数优化 中国激光
2022, 49(20): 2007107
1 南京理工大学受控电弧智能增材技术工信部重点实验室，江苏 南京 210094
2 南京理工大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210094
针对TiAl基合金激光焊接过程中出现的裂纹问题，利用扫描电镜(SEM)及电子背散射衍射(EBSD)等方法研究了TiN相对接头焊缝相变织构及晶粒细化的影响。研究结果表明：当焊缝中没有TiN相时，焊接接头成形良好且没有缺陷，焊缝组织主要为Burgers α2相，焊缝区域的完整凝固路径为L→L＋β→β＋α→α＋γ→α2＋γ；当焊缝中存在TiN相时，焊接接头产生了贯穿性裂纹缺陷，主要原因是TiN是一种脆硬相，在激光焊接过程中极易引发裂纹。焊缝组织主要由TiN枝晶相及non-Burgers α2相组成，同时TiN相和α2相之间存在一定的取向关系即。TiN相对焊缝组织有晶粒细化作用。焊缝区域的完整凝固路径为L→TiN＋L→TiN＋β→TiN＋α＋γ→TiN＋α2＋γ。
激光技术 TiAl合金 激光焊接 微观组织 相变织构 晶粒细化 中国激光
2022, 49(16): 1602015
1 南京理工大学 材料科学与工程学院，南京 210094
2 招商局重工（江苏）有限公司，海门 226116
为了研究激光功率对船舶钢激光-熔化极惰性气体复合焊焊缝成型的影响，采用不同激光功率在7mm AH36船舶钢板上进行对接工艺试验，并进行了微观组织观测和力学性能测试，通过理论分析和实验验证，取得了焊缝成型最佳的工艺参量、焊缝接头不同区域微观组织、力学性能等数据。结果表明，在激光功率为6kW、电流为220A、焊接速率为1.2m/min时焊接，焊缝成型最好，焊缝区组织为板条马氏体及少量铁素体，其抗拉强度为545MPa，力学性能符合国家标准和中国船级社材料与焊接规范要求。这对于船舶钢的激光复合焊接具有一定的指导意义。
激光技术 激光-熔化极惰性气体复合焊 焊瘤 船舶钢 laser technique laser-metal inert-gas hybrid welding welding tumor ship steel
1 南京理工大学材料科学与工程学院, 江苏 南京 210094
2 南京理工大学受控电弧智能增材技术工业和信息化部重点实验室, 江苏 南京 210094
将数字图像处理技术中的纹理特征分析方法引入到激光生物焊接中,深入分析激光焊接离体皮肤显微组织的变化,以基于灰度共生矩阵计算所得的二阶统计特征量作为表征离体皮肤显微组织特征的主要量化指标,通过响应面法分析得到了各激光参数以及它们之间的交互作用对激光焊接离体皮肤显微组织纹理特征的影响规律。研究结果表明:激光扫描速度是影响离体皮肤焊后显微组织的主要因素,且对角二阶矩、相关性、熵、对比度这4个纹理特征参数都有显著影响;激光功率及其与扫描速度的交互作用对角二阶矩、相关性、熵有显著影响。
激光技术 激光生物焊接 显微组织 灰度共生矩阵 响应面法 图像处理
南京理工大学材料科学与工程学院, 江苏 南京 210094
激光生物组织焊接与传统的缝合相比具有手术时间短、伤口愈合快、组织损伤少、无需拆线等优点。为了改善激光生物组织的焊接强度与质量,增加组织全厚度方向的激光吸收率,并探究染料对生物组织激光钎焊强度及热损伤的影响,以牛血清蛋白溶液为基体,壳聚糖为稳定剂,吲哚菁绿、亚甲基蓝为染色剂,利用波长为1064 nm的Nd∶YAG激光器对施加助焊剂的离体猪皮肤进行钎焊实验,并对焊接效果进行对比。结果表明:吲哚菁绿与亚甲基蓝是激光焊接过程中效果显著的有机生色团,能在促进光热转换效率、增大焊接强度的同时降低热损伤。
激光技术 激光材料加工 生物组织 抗拉强度 热损伤 焊接 中国激光
2019, 46(12): 1207002
1 南京理工大学材料科学与工程学院, 江苏 南京 210094
2 南京理工大学受控电弧智能增材技术工业和信息化部重点实验室, 江苏 南京 210094
以激光功率、激光脉冲频率、扫描速度为优化变量,建立了激光离体皮肤组织融合工艺参数的多目标优化模型。基于MATLAB软件,应用第二代非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)寻求帕累托最优解集,得到了最优工艺参数,分析了优化目标对工艺参数变化的响应灵敏度。在优化的工艺参数下,测试了切口黏结强度,分析了微观组织。结果表明:切口黏结强度对激光工艺参数具有更高的灵敏度,激光功率对切口黏结强度、组织峰值温度的影响比较显著;所提优化工艺可以实现离体皮肤组织的全层融合,在组织峰值温度降低的情况下,离体皮肤组织切口的黏结强度比单目标优化结果提高了5.6%。
医用光学 多目标优化 响应面法 NSGA-Ⅱ 激光组织融合
南京理工大学材料科学与工程学院， 江苏 南京 210094
基于响应面法设计方法对离体皮肤组织进行脉冲激光焊接实验，获得了组织切口的抗张强度和峰值温度数据; 在单因子实验的基础上，以激光功率、光斑移动速率、激光频率作为3个影响因子，建立多元非线性数学回归模型，通过方差分析和回归分析得出该回归模型的相关系数：切口抗张强度的相关系数为0.9131，切口峰值温度的相关系数为0.9985。模型分析结果表明：激光功率、光斑移动速率和激光频率3个因素的主效应和交互作用对切口性能具有很大影响，对切口抗张强度影响最大的主效应为激光功率，交互效应为激光功率与光斑移动速率; 对切口峰值温度影响最大的主效应为激光功率，交互效应为激光功率与光斑移动速率、激光功率与激光频率、光斑移动速率与激光频率。最后依据回归模型得出了最优激光工艺参数组合，回归模型预测响应值与实验结果相吻合，且切口强度满足要求。
生物光学 参数优化 响应面法 多元非线性回归模型 皮肤组织
Author Affiliations
Abstract
1 School of Material Science and Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China
2 Welding Engineering and Laser Processing Centre, Cranfield University, Bedford MK43 0AL, United Kingdom
Dissimilar metal joining of magnesium to aluminum was investigated using the latest generation nanosecond pulsed fiber laser. The tensile shear test shows that the average tensile shear strength of a joint was 86 MPa, which was 75% of the aluminum substrate. The weld interface exhibited a mixture phase (Mg solid solution and Mg17Al12) that improves the strength and toughness of the joint. A thin Mg–Al intermetallic compound layer was formed on both sides of the weld seam toward the Al side. Fracture occurred toward the Al substrate side rather than the Mg–Al interface, indicating a high joining strength at the weld interface.
140.3390 Laser materials processing 140.7090 Ultrafast lasers 140.3538 Lasers, pulsed Chinese Optics Letters
2018, 16(6): 061401
