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 岭南师范学院机电工程学院，广东 湛江 524048
2 广东工业大学机电工程学院，广州 510006
采用放电等离子快速加热，通过外径限制环压缩法进行烧结-锻造，获得了晶粒向心取向的织构化SiAlON陶瓷，并对其显微结构、织构化程度和力学性能各向异性特点进行了分析。结果表明，SiAlON陶瓷棒状晶粒c轴(长轴)高度平行于圆柱样品的直径方向，形成辐射状取向。在垂直加压方向和平行径向的截面，SiAlON陶瓷晶粒的c轴与径向夹角的平均值分布为19.2°和9.9°，向心取向织构化程度为0.79。在垂直加压方向截面的硬度比垂直径向截面的硬度高12%左右，达到17.85 GPa；抗弯强度在断裂面垂直径向时比断裂方向平行径向高57%左右，为1 341 MPa；断裂韧性在裂纹扩展垂直径向时比平行径向的高74%左右，为6.27 MPa·m1/2。
织构化 向心取向 各向异性 SiAlON SiAlON texture centripetal alignment anisotropy
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
为了满足金属与聚合物在工业轻量化中的连接需求，采用半导体连续激光器对钛合金TC4和碳纤增强聚合物PBTCF30材料进行激光连接实验研究。通过在钛合金表面进行织构预处理，可使接头在激光连接后获得机械铆接从而提高其强度；将接头剪切强度和预处理时间作为响应，并根据两响应与相关工艺参数之间的关系，利用响应曲面法建立数学模型，分析了织构扫描直径、织构扫描间距、织构扫描次数、激光连接功率和激光连接速度对接头剪切强度及预处理时间的交互式影响，最后通过加速粒子群优化（APSO）算法获得最优解。结果表明，对接头强度影响最大的三个参数组合为：扫描间距-扫描次数、扫描次数-连接速度、连接速度-连接功率。模型验证及优化结果验证表明，所建模型的预测值与实验值吻合较好，模型可靠。
激光技术 表面织构预处理 工艺参数优化 响应曲面法 加速粒子群优化 激光与光电子学进展
2023, 60(21): 2114003
江苏科技大学机械工程学院，江苏 镇江 212003
基于纳秒激光烧蚀试验，采用三维共聚焦显微镜对GCr15钢表面点织构形貌进行了定量表征和分析，探讨了激光能量密度对纳秒激光烧蚀GCr15钢表面点织构形状、几何尺寸和结构稳定性的影响规律。结果表明：随着激光能量密度的增加，GCr15钢表面点织构形貌结构先由凹坑变为凸起，再由凸起变为凹坑，最后变为不规则结构；点织构几何尺寸误差随激光能量密度的变化，在不同阶段呈现不同的规律；点织构形貌结构稳定性随着激光能量密度的增加，呈先减小再增大的变化趋势，当激光能量密度由54.585 W·mm-2增加至363.977 W·mm-2时，形貌平均误差先由3.16%降至2.08%，再增加至8.16%。研究结果为激光烧蚀GCr15钢表面点织构形貌的控制提供了参考。
激光技术 纳秒激光 点织构 形貌 几何尺寸 结构稳定性 中国激光
2023, 50(20): 2002201
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 苏州大学光电科学与工程学院，江苏 苏州 215006
2 苏州大学苏州纳米科技协同创新中心，江苏 苏州 215006
3 江苏省先进光学制造技术重点实验室，江苏 苏州 215006
4 苏州大学教育部现代光学技术重点实验室，江苏 苏州 215006
5 奥徒（上海）激光技术有限公司，江苏 苏州 215123
通过改变飞秒激光的能量密度和扫描次数，分别采用90°和60°两种激光交叉线扫描方式，在钛合金表面制备了一系列方形和菱形微结构，系统地研究了飞秒激光参数对表面形貌和润湿性的影响。利用 X射线光电子能谱测量分析了激光织构前后的表面化学成分变化。结果表明：表面结构的轮廓形貌更加依赖于激光的能量密度，而扫描次数主要影响结构的特征尺寸。不同的飞秒激光参数下获得的织构钛合金表面表现出不同程度的亲水性提升。较高的激光能量密度和扫描次数有利于增大钛合金表面的粗糙度，同时导致大量的金属氧化物富集，从而促进了液滴的浸润。
激光技术 飞秒激光 表面织构 钛合金 亲水性 中国激光
2023, 50(16): 1602208
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
