1 哈尔滨工业大学(威海)材料科学与工程学院山东特种焊接技术重点实验室，山东 威海 264209
2 哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001
3 中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111
不锈钢与玻璃纤维增强树脂基复合材料（GFRP）的异质材料复合结构在汽车轻量化领域有着广阔的应用前景。采用激光毛化技术在不锈钢表面制备网格微织构，开展了微织构的引入对不锈钢与GFRP单面单点电阻连接界面的强化机理研究。研究结果表明：表面微织构的引入显著改善了不锈钢表面的润湿性，熔化的GFRP在不锈钢表面由不润湿性转变为润湿性；随着微织构间距的增大，接触角先减小后增大，当微织构间距为0.2 mm时，接触角达到最小值62.4°，此时表面微织构的引入对界面机械嵌合的促进效果最佳；此外，微织构的引入促进了界面化学扩散，使得接头拉剪力达到最大值3548 N，界面失效形式由界面断裂转变为界面断裂与内聚断裂混合的失效形式。
激光技术 纳秒激光 微织构 单面单点电阻焊 润湿性 机械嵌合 中国激光
2024, 51(16): 1602101
1 1.江苏大学 新材料研究院, 镇江 212013
2 2.江苏大学 先进制造与现代装备技术研究所, 镇江 212013
3 3.江苏大学 机械工程学院, 镇江 212013
4 4.江苏大学 微纳光电子与太赫兹技术研究所, 镇江 212013
为改善碳化硅的表面润湿性能, 本研究利用脉冲激光加工表面处理和化学改性分别改善了碳化硅的表面形貌和表面能。实验选用皮秒激光加工方式构造表面微织构, 利用激光共聚焦显微镜分析了微织构的微观形貌, 并进一步分析了烧蚀形态与激光自身特性和加工参数之间的联系。研究发现, 激光加工效果以烧蚀为主, 重熔为辅, 而由于碳化硅烧蚀阈值和激光能量在光斑中的高斯分布特性, 形成的微织构的烧蚀凹槽呈倒三角形。此外, 选用的氟硅烷修饰剂使碳化硅表面从亲水表面转变为疏水表面; 通过改变加工参数获得不同微织构并进行氟硅烷修饰后, 碳化硅表面接触角最大提高到157°, 达到了超疏水效果。为了进一步探讨微织构对疏水性的影响原理, 提出了一个基于实际形貌参数的固液接触角模型。该模型阐释了接触角随微织构特征参数变化的机制, 固、气、液两两之间的接触面积影响了表面润湿性, 这为寻找具有最佳疏水性能的微织构提供了新的理论指导。
碳化硅 微织构 疏水性 皮秒激光加工 silicon carbide micro-texture hydrophobicity picosecond laser processing
1 先进制造技术山西省重点实验室, 山西 太原 030051
2 中北大学机械工程学院, 山西 太原 000351
激光微织构加工在当前微织构加工中有很大优势, 然而大多数研究都是关于微凹坑的形成。采用纳秒光纤激光器在304不锈钢表面制备微凹/凸织构, 研究激光加工参数对所制备的凹/凸织构表面形貌的影响。结果表明, 随着功率的增大, 微织构的中心凸起高度先增大后减小, 最后转化为凹坑。在不同的功率下, 高度随脉冲宽度变化的趋势不同。在功率为25 W时, 随脉冲宽度增大先升高后降低; 30 W、35 W时, 总体呈下降趋势, 先降低后升高再降低; 20 W时, 随脉冲宽度增大先降低后升高再降低, 变化幅度较小; 40 W时凸起消失。微织构的直径随功率和脉冲宽度的增大而增大。随着脉冲数量的增加, 微凸织构中心凸起部位的下凹深度也增大, 突起高度降低。在脉冲数量为1、激光功率为25 W、脉冲宽度为10 000 ns时, 可以得到凸起高度为35.362 μm、直径为174.057 μm的微凸起织构。
微织构 形貌 纳秒光纤激光器 工艺参数 micro-texture morphology nanosecond fiber laser process parameters
1 哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001
2 哈尔滨工业大学(威海)山东特种焊接技术重点实验室，山东 威海 264209
3 国家高速列车青岛技术创新中心，山东 青岛 266108
钛合金与碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)的异质复合接头在航空航天和交通等领域具有广阔的应用前景。激光连接钛合金与CFRP具有效率高的优点，但整体连接强度较低。本文开展了表面变宽度网格微织构TC4与CFRP激光连接工艺以及连接界面强化机理的研究，研究结果显示：随着微织构宽度增大，CFRP在TC4表面的接触情况由不润湿变成润湿，当微织构宽度为0.2 mm时，接触角最小，为49.91°，此时的润湿性最好；表面微织构显著提高TC4表面对熔化CFRP的吸附能力，促进了界面的机械嵌合作用；接头的拉剪力最高可达2596 N，较未处理接头提高了约154%；接头的断裂形式除了界面断裂及内聚断裂外，还存在TC4表面氧化物的剥离，佐证了TC4与CFRP界面结合强度的提升；界面上还生成了新的化学键合。微织构能增加界面接触面积并实现表面改性，促进CFRP与TC4在高温下发生化学连接，从而进一步提高接头强度。
激光技术 激光连接 微织构 润湿性 机械嵌合 化学连接 中国激光
2022, 49(18): 1803001
1 常州信息职业技术学院智能装备学院，江苏 常州 213164
2 苏州大学轨道交通学院江苏 苏州 215131
3 江苏大学机械工程学院江苏 镇江 212013
采用激光微织构技术，在钛合金表面上制备了圆形微凹坑，采用HT-1000型高温摩擦磨损试验机考察了微织构试样在常温和高温下的摩擦学性能，通过对摩擦系数、磨损量、磨痕三维轮廓和磨痕形貌的分析，探讨了高温环境对微织构试样耐磨性能和磨损机理的影响。结果表明：激光微织构试样在常温和高温磨损环境下的摩擦学性能均优于钛合金基体；在高温磨损条件下，微织构试样表现出更低的摩擦系数（0.27）、更小的磨损量（1.26 mg）以及更窄更浅的磨痕轮廓；微织构试样的磨损机制从常温下的磨粒磨损和轻微氧化磨损转为高温下的严重氧化磨损。由于微凹坑的磨屑收集特性及微织构表面在摩擦载荷的作用下可形成连续致密的光滑摩擦氧化物层，因此微织构试样表现出更好的高温耐磨性能。
激光光学 激光微织构 TC4钛合金 高温摩擦磨损 磨损机制 激光与光电子学进展
2022, 59(11): 1114002
郑州大学机械与动力工程学院, 河南 郑州 450007
为了探索纳秒脉冲激光在单个微观形貌内的路径规划问题, 借助COMSOL Multiphysics有限元仿真分析软件, 对脉冲激光加工微凹坑时的温度变化和烧蚀去除材料进行了模拟预估。建立了灰铸铁缸套经高能量激光照射后的温度场和变形场模型, 在多物理场耦合作用下, 探索单点凹坑精度和效率受激光作用时间、功率等因素的影响, 建立预估数据模型, 最终仿真试验结果显示: 凹坑半径r2∝ ln(t), 深度与时间呈线性关系, 体积随时间呈二次分布。基于此仿真数据模型探索多点打击规划原则, 寻找最优重叠率, 并通过试验证实其可行性。
激光加工 COMSOL仿真 多场耦合 微织构 laser machining COMSOL simulation multifield coupling micro-texture
1 湖北省现代制造质量工程重点实验室, 武汉 430068
2 湖北工业大学 机械工程学院, 武汉 430068
采用波长800 nm的飞秒激光对硬质合金YG6表面进行多脉冲加工, 利用光学显微镜测量微凹坑损伤形貌及损伤直径, 研究了飞秒激光在不同能量密度和脉冲数下硬质合金YG6的损伤阈值和损伤直径的变化规律及其损伤机制.试验结果表明: 硬质合金YG6的多脉冲损伤阈值随着脉冲数增加而降低, 呈现明显的累积效应.试验得到了多脉冲飞秒激光加工YG6的损伤阈值、损伤直径与脉冲数及中心能量密度的定量关系, YG6多脉冲损伤阈值主要与脉冲数相关, 由单脉冲损伤阈值和累积系数共同决定, 试验得到YG6单脉冲损伤阈值为1.14±0.06 J/cm2, 累积系数为0.84±0.02.损伤直径主要与光束中心能量密度和脉冲数相关, 由光束束腰半径, 单脉冲损伤阈值和累积系数共同决定.试验采用多组平均功率和脉冲数对YG6进行烧蚀, 验证了单脉冲损伤阈值和累积系数的可靠性.
特种加工 飞秒激光 累积效应 损伤阈值 硬质合金YG6 微织构 Special manufacturing Femtosecond laser Incubation effect Ablation threshold Carbide YG6 Micro-texture
1 江苏大学机械工程学院, 江苏 镇江 212013
2 江苏希西维轴承有限公司, 江苏 镇江 212009
3 江苏大学汽车与交通工程学院, 江苏 镇江 212013
采用光纤激光器对GCr15轴承钢试样表面进行了激光织构加工,使用共聚焦显微镜观察了微织构的形貌,分析了功率、脉宽、重复次数对织构点形貌的影响。试验结果表明,织构点直径随脉宽的增大而增大,在一定脉宽范围内,织构点深度随脉宽的增大而明显增大;在单脉冲作用下,当脉宽为1000 μs时形成凸起形貌,当脉宽增大到5000 μs以上时形成凹坑形貌;随着功率的增大,织构点的直径和深度增大;随着重复次数的增加,热效应尤为明显,凹坑先逐渐变深然后部分被填平,凸起高度先不变然后急剧增大。研究验证了同一台激光器同时实现凹/凸微织构的可行性,为实现表面不同形貌的加工提供了新的思路。
激光技术 形貌 微织构 光纤激光 工艺参数
1 湖北工业大学机械工程学院, 湖北 武汉 430068
2 武汉交通职业学院船舶与航运学院, 湖北 武汉 430068
采用波长为800 nm的飞秒激光在硬质合金YG6表面加工出微凹坑形貌, 分别测量了微凹坑的形貌参数和表面接触角, 从而获得最佳加工参数, 分析了微凹坑形状、分布密度和单个面积对表面接触角的影响。基于Wenzel模型和Cassie模型的中间状态理论, 分析了微凹坑形状对表面接触角的影响机理。结果表明：当平均功率低于200 mW时, 微凹坑表面形貌较好, 微凹坑深度与扫描次数呈线性关系; 微凹坑表面接触角随着微凹坑分布密度的增大而减小, 随着单个微凹坑面积的增大而增大。不同形状微凹坑的浸润性优劣顺序依次为正三角形、正方形、正六边形、圆形。
激光技术 浸润性 微织构 飞秒激光 硬质合金YG6 激光与光电子学进展
2018, 55(9): 091404
1 南通大学机械工程学院, 江苏 南通 226019
2 江苏大学机械工程学院, 江苏 镇江 212013
3 南通大学电气工程学院, 江苏 南通 226019
4 南通理工学院, 江苏 南通 226002
金属与金属配副的滑动导轨具有刚度高、承载力强等优点, 但该类型导轨存在摩擦系数大、响应速度慢的缺点, 严重限制了该型导轨的使用范围。根据仿生学原理使用激光微织构技术在金属滑动导轨副表面加工出有序排列的微凹坑以改善导轨的摩擦学性能。通过Matlab仿真验证微凹坑造型对减少摩擦副摩擦力的作用, 并在40Cr盘试样端面加工规则、有序排列的微凹坑, 与HT200销试样配副, 在Rtec摩擦磨损试验机上开展导轨的摩擦特性试验研究。仿真和实验结果表明, 微凹坑不仅可以改善导轨的储油情况, 还可以产生动压润滑效应, 有效地降低金属配副滑动导轨的摩擦系数, 实验中最大摩擦系数可降低72%。
滑动导轨 激光仿生微织构 动压润滑效应 摩擦系数 sliding guide laser bionic micro-texture dynamic pressure lubrication effect friction coefficient
