1 中国民航大学航空工程学院，天津 300300
2 哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001
为了进一步阐明铝合金表面丙烯酸聚氨酯漆层的激光清洗机制，揭示扫描速度对激光除漆的影响规律，首先采用万能试验机测定了漆层强度极限，结合多种技术手段分析研究了单脉冲热-力耦合COMSOL仿真与清洗实验结果，探究了四种扫描速度（1000、900、800、700 mm/s）下除漆表面宏微观形貌及成分变化。结果显示：单脉冲除漆凹坑内存在明显分层与碎裂，除漆最大深度和宽度分别为34.3 μm和125 μm；漆层强度极限为2.68×107 Pa，与热应力仿真结果接近；随着扫描速度逐步降低，漆层去除深度不断增大，氧化膜逐步显现，面漆着色剂（β型铜酞菁）与漆层功能性氧化粒子的沉积量逐渐增加。研究表明：单脉冲激光除漆过程主要包括烧蚀、热应力和等离子体冲击三种除漆机制；随着扫描速度的逐渐降低，烧蚀除漆效果逐渐增强，等离子体冲击除漆效果逐步减弱，热应力除漆效果保持不变。
激光技术 激光清洗 铝合金 丙烯酸聚氨酯漆层 扫描速度 除漆机制 中国激光
2024, 51(16): 1602209
1 湖北文理学院机械工程学院，湖北 襄阳 441053
2 湖南工业大学机械工程学院，湖南 株洲 412007
根据面齿轮材料18Cr2Ni4WA的飞秒激光扫描加工中的温度传递过程，建立了三温传热模型，并建立了扫描加工中的多脉冲能量累积模型。仿真分析了改变激光能量密度对烧蚀材料时电子晶格温度的变化，多脉冲加载下电子、晶格和材料表面最高温度的变化，以及改变扫描速度和扫描间距对加载能量的变化，结果表明随着能量密度的增大，电子最高温度从37000 K上升至44000 K、最终平衡温度从17000 K上升至22000 K。在多脉冲的加载下，随着能量密度的增大，电子最高温度也有一定程度的增大，并且材料表面最高温度的平衡温度也会增大，从2600 K上升至3250 K。随着扫描速度和扫描间距的增大，多脉冲累积能量有一定的减小，能量分布尺度在增大。试验分析了不同能量密度、扫描速度和扫描间距对飞秒激光烧蚀面齿轮材料的影响，并对烧蚀形貌进行了粗糙度分析，结果表明，当能量密度为4.34 J/cm2、扫描速度为300 mm/s、扫描间距为18 μm时，烧蚀形貌质量较好。该研究为提高飞秒激光扫描加工面齿轮材料的表面形貌质量提供了研究基础。
激光光学 飞秒激光 三温传热模型 扫描速度 能量累积效应 扫描间距 激光与光电子学进展
2023, 60(9): 0914004
1 沈阳工业大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110870
2 辽宁省复杂曲面数控制造技术重点实验室，辽宁 沈阳 110870
为了探究激光功率、离焦量、扫描速度等工艺参数对石油管螺纹激光除锈效果的影响规律并获得最优工艺参数组合，以表面粗糙度值为指标，采用正交实验法进行石油管螺纹激光清洗实验，得出影响激光清洗效果因素的显著性排序。通过单因素实验法，得出不同工艺参数下的表面粗糙度值和氧元素含量的变化规律。以氧元素含量衡量清洗样件的表面损伤程度，以表面粗糙度为优化目标进行工艺参数优化。基于响应面法建立优化目标与激光工艺参数之间的数学模型，将数学模型与优化后的粒子群算法结合，得出优化工艺参数组合，即激光功率为488 W，离焦量为+3 mm，扫描速度为3000 mm/s。在优化后的工艺参数下进行管螺纹激光清洗加工，实验结果表明，管螺纹表面锈蚀层被去除，基底表面清洗效果良好，且熔池周围无熔融物，证明了方法的有效性。
激光技术 激光功率 离焦量 扫描速度 表面粗糙度 粒子群算法 中国激光
2022, 49(22): 2202001
1 广东省科学院中乌焊接研究所 中国-乌克兰材料连接与先进制造“一带一路”联合实验室 广东省现代焊接技术重点实验室，广东 广州 510650
2 北京科技大学 自动化学院 北京市工业波谱成像工程技术研究中心，北京 100083
采用光纤激光器开展了碳钢板表面锈蚀层激光清洗研究，通过白光干涉仪、光学显微镜、拉曼光谱仪等研究了激光扫描速度对锈蚀层去除质量的影响。研究表明，当激光扫描速度小于2 000 mm/s时，因光斑搭接率高，热累积效应强，试样表面出现基材熔化重凝现象，同时试样表面发生二次氧化，生成了复杂的铁的氧化物膜层，此时试样表面粗糙度最小。当激光扫描速度增加到3000 mm/s时，试样表面锈蚀层去除干净，露出金属基底本身色泽，基材表面二次氧化减弱。当线速度继续增加时，因光斑搭接率低，锈蚀层吸收的激光能量少，仅有部分锈蚀被去除，试样表面开始出现残留锈蚀层，且随着线速度的增加，残留锈蚀层和试样表面粗糙度增加。通过调节扫描速度可以获得较好的除锈效果，工艺优化后，激光功率为120 W时，除锈效率达到1.5 m2/h。
激光除锈 扫描速度 锈蚀层 表面粗糙度 laser rust removal laser scanning speed rust layer surface roughness 红外与激光工程
2022, 51(5): 20210389
1 昆明理工大学材料科学与工程学院，云南 昆明 650093
2 昆明理工大学机电工程学院，云南 昆明 650500
为明确激光能量密度作为选区激光熔化工艺优化依据的可靠性，以钴铬合金为对象，通过数值模拟与试验验证，考察了相同能量密度下不同扫描速度时成形试样的温度场、熔池尺寸和致密度。结果表明，激光能量密度不是影响选区激光成形过程中熔池尺寸和致密度的可靠参数，在相同激光能量密度下，激光扫描速度不同，会影响粉床上粉末的熔化和凝固过程及形成的熔池尺寸。激光能量密度相同时，随着激光扫描速度增大，熔池尺寸增加，试样致密度也相应提高。
激光光学 选区激光熔化 钴铬合金 扫描速度 熔池尺寸 致密度 激光与光电子学进展
2022, 59(7): 0736001
1 中国科学院力学研究所，北京 100190
2 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
3 中国科学院大学工程科学学院，北京 100049
4 北京京东方真空电器有限责任公司，北京 101500
利用高功率密度激光开展CuCr50合金表面快速熔凝改性实验，研究扫描速度对材料熔凝改性层深度、显微硬度、表面粗糙度以及拉伸和断裂特性的影响。结果表明：随着扫描速度由2000 mm/min增加到8000 mm/min，熔凝层平均深度从（486.2±32.8）μm降至（26.8±13.4）μm，平均硬度值由203 HV提升到250 HV，较基体硬度（85 HV）提升了约3倍；表面粗糙度随着扫描速度的降低而增大；单侧表面激光熔凝处理后材料的屈服强度较未处理材料提升了16.5%~28.0%，基体断裂主要是以沿晶界扩展的沿晶断裂，熔凝层断口呈现出等轴韧窝状的断裂特征。表面改性后CuCr50合金的硬度和强度均有大幅提升，通过改变扫描速度可以获得综合性能较好的激光表面改性效果。
激光技术 表面改性 扫描速度 CuCr合金 显微组织 力学性能 激光与光电子学进展
2022, 59(1): 0114006
1 陕西理工大学机械工程学院, 陕西 汉中 723000
2 中国兵器工业第二〇五研究所 陕西 西安 710065
为了探索激光切割工艺参数对碳纤维复合材料温度场的影响, 采用有限元模拟分析和试验验证的方法, 综合考虑辅助气体冷却和热辐射作用, 定性模拟分析了激光功率、扫描速度和激光光斑半径对碳纤维复合材料厚度方向和垂直于激光扫描方向的温度场影响规律。结果表明：激光切割工艺参数对试件厚度和垂直切割方向的热影响具有一致性；吸收能量较多时造成基体气化区域比烧蚀区域大, 当激光能量降低时, 烧蚀区域逐渐大于气化区域；获得的激光切割工艺参数与温度之间的关系, 能够指导实际加工, 提前预测激光切割碳纤维复合材料热影响区, 为激光热量传播和控制热影响区提供依据。
碳纤维复合材料 激光功率 扫描速度 光斑半径 温度场 carbon fiber reinforced plastic laser power scanning speed spot radius temperature field
使用额定功率为1 kW的光纤激光器开展了激光直接沉积机场供油管网材料的实验研究，研究了激光扫描速度对沉积层显微组织、硬度、耐蚀性及耐磨性的影响。显微组织和硬度的实验结果表明：随着激光扫描速度的增加，沉积层厚度减小，基体发生的翘曲变形角度减小，沉积层在路径2上的峰值硬度逐渐升高。耐蚀性和耐磨性的实验结果表明，沉积层的耐磨性和耐蚀性对激光扫描速度具有非协同响应：当激光扫描速度为10 mm/s时，沉积层具有较好的耐蚀性，自腐蚀电流密度为基体的27.76%；当激光扫描速度为12 mm/s时，沉积层具有较好的耐磨性，磨损率分别为6 mm/s和10 mm/s扫描速度下沉积层磨损率的52%和42%。
激光技术 激光直接沉积 扫描速度 硬度 非协同响应 激光与光电子学进展
2021, 58(7): 0714001
高光谱成像技术可以无损检测植物不同尺度的理化信息, 现有研究往往以分析高光谱图像的平均光谱为主, 忽略了其空间维度的信息。 以模式植物拟南芥为研究对象, 探究高光谱成像不同扫描速度引起的图像空间分辨率差异对植物冠层含水率测量的影响, 为高光谱成像在线快速检测植物冠层含水率提供优化方案。 首先利用室内在线高光谱成像系统分别在20, 30和40 mm·s-1三种扫描速度下采集了拟南芥冠层高光谱图像, 并提取拟南芥冠层平均反射光谱。 其次, 利用偏最小二乘算法(PLSR)建立了拟南芥冠层含水率与平均反射光谱的定量分析模型, 通过决定系数(R2)、 均方根误差(RMSE)、 相对分析误差(RPD)对模型进行评估。 比较基于原始光谱与多元散射校正算法(MSC)、 Savitsky-Golay平滑算法等预处理光谱建立的PLSR模型, 选取最佳光谱预处理方法用于后续的数据处理。 最后, 利用连续投影算法(SPA)分析比较基于最优特征波长与全波长的模型预测准确度, 探明高光谱图像扫描速度对拟南芥冠层含水率预测的影响规律。 研究结果表明, 当扫描速度从20 mm·s-1提升到30 mm·s-1时, 基于MSC预处理的全波段PLSR模型预测拟南芥冠层含水率决定系数降低0.88%, 小于1%; 当扫描速度从20 mm·s-1提升到40 mm·s-1时, 拟南芥冠层含水率决定系数降低2.3%。 说明在适当提高扫描速度的同时, 能够保证植物冠层的高含水率预测准确度。 改变高光谱扫描速度可以更有效地利用高光谱图像空间维度有效信息, 扫描速度适当增大后, 高光谱图像的空间维度信息改变, 提高实际生产应用环节的图像采集效率, 减少数据处理时间。
拟南芥 冠层含水率 近红外高光谱 扫描速度 Arabidopsis thaliana Canopy moisture content Near-infrared hyperspectral imaging Scanning speed SPA PLSR SPA PLSR 光谱学与光谱分析
2020, 40(11): 3508
