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 中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266000
2 华中科技大学材料科学与工程学院，湖北 武汉430074
为了提高漆层与铝合金基体之间的结合力，往往需要进行毛化预处理。激光微织构加工技术具有环保、高效、毛化表面均匀可控等优点，而连续激光器输出的激光更加稳定、速度更快，研究连续激光微织构对漆层结合力的影响很有必要。通过控制激光功率、搭接率两个主要参量进行激光微织构加工，用激光共聚焦显微镜对微织构三维形貌进行观察并表征，用表面轮廓综合测量仪对表面粗糙度Ra、轮廓高度Rz进行测量，使用摩擦磨损试验机采用划痕法对涂层结合力进行测试，最终建立起微织构形貌、表面粗糙度和涂层结合力之间的联系。结果表明：激光功率对微织构形貌尺寸的影响比较明显；火山口和冠状形貌交错分布的微织构形貌有效地提高了漆层结合力；搭接率在0%~20%时结合力较高，平均可达36.41 N，提高54%左右；在划痕试验中，轮廓高度Rz与漆层结合力关系密切；特殊的起伏结构有效抑制了漆层大面积剥离过程。
激光技术 连续激光 微织构加工 结合力 laser technology continuous laser microwoven processing binding force
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 江苏大学机械工程学院，江苏 镇江 212013
2 江苏大学微纳光电子与太赫兹技术研究院，江苏 镇江 212013
镁合金具有比强度高、可加工性好等优势，但其耐蚀性欠佳，成为阻碍其进一步推广应用的瓶颈。采用纳秒激光在AZ91D镁合金表面进行微织构加工，并辅以低温热处理，获得了不同润湿性的表面。通过表征不同润湿性镁合金的表面形貌和成分、静态接触角以及耐蚀性，研究了镁合金表面激光调控润湿性的方法以及镁合金耐蚀性提高的机理。实验结果表明：激光加工和后续的低温热处理促使表面的C元素含量升高；表面形貌和表面C元素可以协同调控表面的润湿性；激光加工可以促使镁合金表面形成氧化膜，有助于提升镁合金的抗盐雾腐蚀能力；亲水性微织构表面的耐蚀性优于原始表面；超疏水Cassie表面具有优异的抗盐雾腐蚀性能，这是由于盐雾液滴在其表面的停留时间短。
激光技术 激光微织构 润湿性 盐雾腐蚀 热处理 腐蚀层 中国激光
2023, 50(16): 1602205
1 湖北工业大学机械工程学院, 湖北 武汉 430068
2 上海市激光技术研究所, 上海市激光束精细加工重点实验室, 上海 200233
3 武汉滨湖电子有限责任公司, 湖北 武汉 430068
使用波长为1 030 nm飞秒脉冲激光在M35高速钢表面加工微凹坑阵列, 运用光学显微镜、白光干涉仪和接触角测量仪分别测量样品表面的三维形貌和接触角, 探究不同参数对样品表面形貌和接触角的影响规律。结果表明, 随能量密度和扫描次数增加, 微凹坑的半径和深度均增大, M35高速钢表面接触角减小, 样品表面亲水性增大, 微凹坑间距减小可提高M35高速钢表面的亲液性。试验结果可为高速钢表面润湿性的研究提供参考。
激光加工 表面微织构 M35高速钢 润湿性 laser processing surface texture M35 high-speed steel wettability
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
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
