为防止长时间进行高功率激光清洗出现镜片破碎或烧灼现象，保证光头的使用寿命和稳定性，采用Solidworks软件，主要针对激光清洗头中的准直系统、振镜系统及聚焦透镜组进行结构设计和三维建模，并对光头各系统结构参数进行可行性研究；利用ANSYS Workbench进行温度场仿真，并通过温度检测和激光清洗试验验证模型设计的可靠性。结果表明，各镜片的入射光斑能量密度低于相应的损伤阈值，仿真所得激光头各组件温度变化在可靠范围之内。所设计的光头模型可靠，能满足工作要求，为自主研发设计高功率激光清洗头提供了相应的理论和方法。
激光清洗 激光清洗头 有限元分析 高功率 cleaning laser cleaning head finite element analysis high power
1 南昌航空大学 材料科学与工程学院，江西 南昌 330063
2 江西洪都航空工业集团有限责任公司，江西 南昌 330063
3 苏州大学 机电学院，江苏 苏州 215000
激光清洗以绿色、安全、便于控制等优点，在航空航天、电子、交通等领域有着重要的应用价值。采用纳秒脉冲激光清洗航空2A12铝合金表面TB06-9涂层，研发了一种新型的两步法无损激光清洗工艺。运用扫描电子显微镜、能谱仪，超景深三维显微镜和万能电子实验机等分析激光清洗涂层。结果表明，第一步采用单次激光清洗，随激光功率的增加，试样表面涂层逐渐减少裸露出氧化层及基材。激光功率为40 W时氧化层保留完好，功率为45 W时氧化层开始出现损伤，随着功率的增加，损伤逐渐增多。最终确定第一步优化参数为激光的频率为20 kHz，功率为40 W，扫描速度为1040 mm/s，线间距为0.052 mm。第二步在第一步的基础上进行多次清洗，获得的优化参数为激光频率为1000 kHz，功率为80 W，扫描速度为690 mm/s，线间距为0.034 5 mm。两步法激光清洗试样的表面与原始试样表面形貌相似，表面显微硬度及抗拉强度基本保持一致，较好地保留了材料的原有力学性能。
激光除漆 铝合金 涂层 氧化层 无损 laser coating removing aluminum alloy coating oxide layer nondestructive 红外与激光工程
2022, 51(12): 20210936
1 苏州工业职业技术学院，江苏 苏州 215104
2 苏州大学机电工程学院，江苏 苏州 215000
发动机缸体在服役中会有外界粉尘颗粒伴随着柴油、汽油进入缸体内部，磨损并腐蚀破坏缸体表面，影响发动机的性能。为实现缸体表面的修复，采用输出光斑大小为15 mm×3 mm的宽带激光熔覆头对发动机缸体表面进行单道宽带激光熔覆修复试验。熔覆基体材料为42CrMo钢，熔覆粉末材料为Fe316L。研究激光功率、送粉速度、送气流量及扫描速度等参数对熔覆质量的影响以及各参数的影响权重，并求得最佳工艺参数为激光功率4 250 W，送粉速度3 r/min，送气流量5.1 L/min及扫描速度459 r/min，且在焦点处熔覆时，熔覆质量较高，熔覆层上表面粗糙度为2.19 μm，熔覆层显微硬度为552.9 HV。
宽带熔覆 工艺参数 内壁熔覆 光纤激光 broadband cladding process parameters inner wall cladding fiber laser
1 南昌航空大学材料科学与工程学院, 江西 南昌 330063
2 苏州大学机电学院, 江苏 苏州 215006
选区激光熔化(SLM)成形过程中, 快速熔化凝固导致复杂的瞬态温度分布, 熔池温度分布和冷却速率大小影响最终的凝固组织, 从而影响零件成形性能。建立三维瞬态有限元模型, 数值模拟GH4169合金单道多层SLM成形过程, 研究瞬态的温度分布、熔池尺寸和冷却速率及不同线能量密度对单道多层SLM成形的影响。结果表明: 线能量密度为170 J/m时, 随着层数的升高, 熔池最高温度、熔池尺寸和热影响区逐渐变大, 上层对下层具有重熔作用; 除第一层冷却速率较低外, 冷却速率随层数的增加而略微升高; 随着线能量密度的增加, 熔池最高温度升高, 熔池尺寸和热影响区变大; 冷却速率随线能量密度的增加而升高。通过成形不同线能量密度的薄壁墙试样, 结合模拟结果进行对比分析, 获得较好的一致性。
选区激光熔化 数值模拟 温度场 线能量密度 selective laser melting numerical simulation GH4169 GH4169 temperature field linear energy density
1 南昌航空大学材料科学与工程学院, 江西 南昌 330063
2 苏州大学机电学院, 江苏 苏州 215006
选区激光熔化(SLM)技术广泛应用于三维复杂零件的增材制造成形, 但激光的瞬间高温易对零件产生热应力, 影响加工质量。建立Ti6Al4V三维有限元模拟模型, 对SLM沉积成形过程进行了模拟研究, 探究双层多道沉积模型的层间停留时间对温度分布及热应力演变规律的影响。结果表明, 模拟熔池与试验结果吻合良好, 验证了模型准确性。第一层沉积后, 由表层的温度分布得出施加停留后冷却显著的效果, 停留时间的增加使得导热条件变好, 重熔作用增强。冷却后, X方向应力呈现“锯齿状”分布, 最大应力出现在搭接处, 随着层间停留时间从无停留增加到60 s, X方向应力逐渐减小, 最大降幅30%; Y方向应力呈现“凸”形及“凹”形的分布规律, 残余应力沿扫描方向呈“条带状”分布; Y方向Top路径最大应力先增大后减小, Middle及Bottom路径应力呈现减小的趋势。因此, 适当的层间停留时间可使热传导趋于稳定, 有效降低冷却后残余应力。
选区激光熔化 数值模拟 层间停留时间 应力场 selection laser melting numerical simulation interlayer idle time stress field
针对传统除锈工艺在桥梁养护中的一些问题,进行了激光智能除锈的工艺及设备研究。为实现智能识别工件表面锈迹及除锈,采用Python及OpenCV视觉库对16Mn钢表面锈迹进行识别,通过一系列图像处理算法识别出生锈区域,得到生锈区域的位置信息、生锈等级、尺寸信息等,随后使用100 W激光除锈系统对识别出的锈迹进行清除,并对除锈后的工件再次进行识别检测。应用机器视觉辅助的激光去除锈蚀系统后,16Mn表面C、O元素的质量分数下降至5%以下。机器视觉辅助下的激光智能除锈可以快速、高效地识别出工件表面的锈蚀,并利用视觉算法和工艺数据库快速匹配相应的加工工艺参数,从而提高了加工效率、降低了人工成本。
激光技术 激光除锈 机器视觉 锈迹识别 智能化除锈 激光与光电子学进展
2021, 58(8): 0814001
利用60 W国产CO2激光器对黑色耐高温聚酯薄膜进行密群孔加工, 通过正交实验法分析激光扫描速度、脉冲能量、重复频率、离焦量和脉冲宽度等工艺参数对微孔入光孔径、出光孔径和锥度的影响程度, 并采用综合平衡法得到优化工艺参数组。结果表明, 激光扫描速度、离焦量和脉冲宽度对微孔锥度影响较大; 离焦量、脉冲能量对孔径影响较大; 得到的优化工艺参数组为: 激光扫描速度50 mm/s,脉冲能量输出10%, 重复频率11 kHz,离焦量0 mm, 脉冲宽度0.1 ms, 并通过实验验证采用该优化参数组加工获得的微孔入光孔径、出光孔径、锥度均较小, 且质量较好, 指导企业生产的升级改造。
激光加工 激光打孔 正交实验 耐高温聚酯薄膜 成型质量 laser machining laser drilling orthogonal experiment high temperature resistant polyester film molding quality
1 中国铁路上海局集团公司, 上海 200040
2 苏州大学机电工程学院, 江苏 苏州 215131
为了满足使用激光去除毛刺的工艺要求, 现设计一种激光头结构, 介绍了激光去毛刺的工作原理, 系统组成, 利用中间激光聚焦能量切除大毛刺, 圆环光斑能量将切割后的剩余部分融成圆角。去毛刺激光头结构包括聚焦镜、圆台镜、抛物面镜, 激光束其中一部分经过聚焦镜聚集为第一激光束, 其余部分则先后经圆台镜和抛物面镜反射而形成投射, 在第一激光束周向外侧形成环形的第二激光束。这样能够在待加工工件上投射形成不同功率密度与直径的环形光斑区域, 利用高能量密度对毛刺进行激光去除, 同时对大毛刺去除过后形成的小毛刺在激光扫描去除时进行一次性去除。
结构设计 激光 去毛刺 反射 structural design laser deburring reflection
针对FR-4覆铜板高精度微孔成形中传统机械打孔流程繁琐、精密化程度低等问题,采用飞秒激光对覆铜板进行单因素试验和正交试验,以入口直径、出口直径和锥度作为评判指标,探讨工艺参数对微孔质量的影响规律。结果表明,对微孔质量影响最大的因素为单脉冲能量,影响最小的因素为重复频率,最优工艺参数组合为:单脉冲能量29μJ,重复频率92kHz,脉冲个数2112,离焦量0.01mm。采用优化的工艺参数组后,可以对FR-4覆铜板进行高质量和高精度的打孔,实现快速、高效地制作印刷电路板。
激光技术 飞秒激光 FR-4覆铜板 打孔 微孔质量 中国激光
2020, 47(12): 1202008
针对传统电路板集成方式的局限性,提出基于飞秒激光的覆铜板线路成形技术。采用飞秒激光对覆铜板进行单因素实验和正交实验,结果表明,在激光功率、频率、扫描速度、扫描次数以及离焦量等因素中,扫描次数对刻蚀深度和表面粗糙度的影响最大,激光频率的影响最小;采用优化后的激光参数进行刻蚀,可以将表面铜层完全除去,得到高质量的刻蚀区域而不伤及底层基材。
激光技术 飞秒激光 覆铜板 刻蚀 电路 光学学报
2019, 39(12): 1214003
