实验研究了激光冲击强化对7075铝合金干摩擦性能的影响。通过对激光冲击强化前后的试件进行物相分析、硬度分析、残余应力分析以及金相组织分析, 总结激光冲击强化改善7075铝合金耐磨性的原因。结果表明, 激光冲击强化能使材料表面产生晶粒细化, 提高材料的表面硬度, 产生残余压应力; 经过激光冲击强化处理之后7075铝合金的磨损量降低43.63%; 磨痕的深度和宽度分别降低45.76%和18.84%, 并且摩擦系数明显降低。激光冲击强化是一种能够有效改善7075铝合金耐磨性能的表面处理技术。

拉深工艺是工业制造中使用极为广泛的一种成型工艺, 拉深过程中特别是在多次变形或变形量较大的冷拉深环节, 容易发生加工硬化现象, 一方面使得后续加工变得困难; 另一方面, 由于塑性和韧性的降低, 工件在变形过程中或变形一段时间后容易发生开裂。采用光纤耦合半导体激光器, 对发生加工硬化的304不锈钢容器器壁进行了激光软化处理, 研究了加工硬化区域材料在激光辐照这种非平衡条件下的组织相变与再结晶现象, 同时, 利用COMSOL软件对该工艺的温度场等进行了模拟。研究发现, 当所使用的激光参数使得扫描区域的最高温度在724 ℃至1 040 ℃之间时, 加工硬化区域的板条状马氏体均转变成奥氏体, 其中, 最高温度在724～850 ℃之间时, 材料硬度大幅降低并出现再结晶晶粒; 最高温度在950～1 040 ℃之间时, 组织发生完全再结晶, 硬度降低到未拉深之前的水平。

针对激光沉积修复316L不锈钢展开研究, 重点研究了修复界面形状对修复区与基材结合处冶金质量的影响。将316L不锈钢基材预处理为底角为不同角度的倒等腰梯形坡口形貌, 采用YAG脉冲激光器对切除区域进行多道多层激光沉积修复, 观察修复区的沉积层生长特性及界面结合处的冶金质量。结果表明, 当梯形坡口角度为105°时, 启光侧靠近界面处熔覆层间开始产生熔合不良及未熔粉等缺陷; 坡口角度约150°时, 收光侧的沉积层生长出现波动, 且波动性随着坡口角度的减小而显著增加; 当坡口角度减小至90°时, 启光侧修复界面处产生大量缺陷, 收光侧无法形成沉积层生长。基于倾斜角度对激光能量密度的影响以及粉末与熔池的交互作用分析, 揭示了坡口角度对缺陷形成及沉积层稳定性的影响机理。

采用激光增材制造技术成功制备了H13钢, 并在其表面熔覆Ni/WC复合涂层。利用扫描电子显微镜、能谱仪、XRD多晶衍射仪以及透射电镜对增材制造H13钢和涂层组织进行分析。结果表明, 增材制造H13钢显微组织主要为板条马氏体以及分布在枝晶处的残余奥氏体和枝晶间隙处的碳化物组成; 熔覆层和H13钢之间以及WC陶瓷相和Ni基合金之间均表现为良好的冶金结合。熔覆层底部呈粗大的短棒状枝晶, 中部和上部由大量的团絮状和针状的共晶碳化物组成,基体由γ-Ni、M23C6、Ni3B等相组成, 涂层和基体的硬度分别640 HV和550 HV。摩擦磨损实验结果表明, 涂层的抗磨损性能是基体的2倍, 耐磨性能得到提升。

采用高功率半导体激光器在45#钢圆棒表面制备了Ni25、Co2和316L多层熔覆层, 用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)对熔覆层的微观组织及物相进行表征, 并测试涂层试样的硬度与耐磨性能。结果表明, 熔覆层组织均匀、致密, 晶粒细小, 与基体成冶金结合; 激光多层熔覆时, 熔覆层经多层重叠扫描, 重复融化凝固造成层与层结合区存在一明显白亮带, 层内组织在该处存在明显分层现象; Ni25合金熔覆层主要物相有γ-Ni固溶体、BNi3、B2Fe3Ni3、C-Fe-Si等; Co2熔覆层主要由γ-Co、γ-Ni固溶体等组成; 多层熔覆层硬度和耐磨性相较于基体, 有较大提高, Co2合金熔覆层平均硬度值最高, 达到了584.7 HV0.3, 多层熔覆层经过多次重叠扫描, 重复融化凝固熔覆层硬度更加均匀。

一个包含了固体传热和层流的选区激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)三维有限元模型被用来模拟选区激光熔化加工单层多道Inconel 718合金粉末的过程, 来预测加工过程中激光束的搭接率对成型质量的影响。为了提高模拟结果的准确性, 模型中考虑了激光在粉床中的穿透作用、粉床与实体热导率的明显差异、固液相变过程以及由于熔池表面存在温度梯度而引起的Marangoni对流。对Marangoni对流对熔池形貌的影响以及激光束搭接率对成型质量的影响进行了分析和讨论。结果显示, 加工过程中熔池内的熔融金属的对流为外向对流, 对流的存在使得熔池的深度减小、宽度增加。当激光束的搭接率为30%时, 工件内气孔较少, 加工质量较好。模拟结果与实验结果相对照, 吻合程度较好。

采用连续高功率半导体激光器在45#钢表面熔覆制备了Ni-B型石英纤维复合涂层, 通过光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)及能谱仪(EDS)对涂层显微组织、成分进行了研究。结果表明, 涂层与基体结合良好, 呈冶金结合; 涂层内中间偏上位置有少量黑色泡状物, 直径为10～20 mm, V槽底部存在由B型石英纤维溶解而形成的凹槽, 且与周围Ni基及基体产生原子分子间扩散; 硬度测试表明, 涂层硬度呈阶梯状分布, 最高达445 HV0.3, 为基体的3.25倍。

Ti-6Al-4V合金具有强度高、抗蚀性优异、生物相容性好等优点, 常用于制造医用多孔的植入体材料, 但对多孔材料结构的成型工艺有一定的约束。基于选区激光熔化成型技术(Selective Laser Melting, SLM), 结合自行设计的拓扑优化多孔网格结构, 按照拓扑优化的结果重新建模成单元结构, 进行了3组特殊结构(螺旋结构、拱形桥结构、薄壁件与小孔)的制造实验, 并且分析对比了热处理前后SLM制造的Ti-6Al-4V合金的显微组织和拉伸性能。研究结果表明, SLM成型的三种螺旋结构中, 除30°螺旋结构以外, 其他两种都能够完整成形, 满足拓扑单元结构成形角度(≥45°)的制造, 30°螺旋结构通过在迎向刮刀锐角面下加少量支撑也能成形; 拱形桥实验中, 能够完整成型不发生塌陷的最大拱桥尺寸为φ=8 mm, 推导出最大的可悬垂长度为0.70 mm, 满足拓扑单元结构最大拱桥尺寸(8 mm)要求; 壁厚为0.10 mm的薄壁结构由于激光光斑尺寸的约束, 成形尺寸增大了0.05 mm, 可能会造成1 mm边长尺寸成单元拓扑结构孔隙率的减小; 小孔实验成形最小孔径为0.10 mm, 满足多孔拓扑优化结构最小孔制作要求; SLM制造直接态和热处理态Ti-6Al-4V合金试样基本的力学性能均能达到ISO制定力学性能标准, 且超过铸造态的水平, 但延展性能仍不及锻件。热处理态比直接态的延展性好, 直接态组织为针状的α′相马氏体组织; 当热处理温度达到750 ℃时, α′相会开始发生扩散分解, 从而在相界面析出白色的β相小颗粒。

选区激光熔化(SLM)成型过程中经常在零件表面和多边形的角上出现凸点的零件缺陷问题, 这种情况很大程度上就是激光振镜在扫描线交点处的延时处理问题所导致的。为了解决这个问题, 通过对振镜系统的运动方式和延时模型原理分析, 借助仿真软件建立有限元模型, 模拟激光扫描过程, 分析振镜延时对于试件温度场和应力场变化的影响。实验结果表明, 激光扫描过程中, 振镜在扫描线转向处采用适当延时处理机制, 能够很好的减少颗粒凸起与坑洼的数量, 改善成型件表面质量。

在激光沉积制造时, 粉末汇聚性是保证成形质量的关键因素。为了改善粉末的汇聚性, 采用气固两相流理论对载气式同轴送粉喷嘴纵吹气帘气压力大小对粉末汇聚性影响进行了数值模拟, 应用FLUENT软件中的离散相模型计算了粉末流场速度和浓度分布规律及汇聚特性。模拟结果表明, 纵吹气压力较小(0.3 MPa)时会导致粉末流充满整个流场域, 汇聚性极差; 气压力较大(0.7 MPa)时同样粉末汇聚性较差, 影响沉积制造成形质量; 气压力为0.5 MPa时汇聚性良好, 且在焦点到焦点以下10 mm的汇聚区进行激光沉积制造能形成较好的熔池, 成形质量较好同时提高了粉末利用率。试验结果验证了模拟结果的合理性, 数值模拟结果对同轴送粉喷嘴设计和结构优化具有较大的参考价值, 并解决了现有喷嘴粉末汇聚性较差问题。

矩形光斑是宽带激光熔覆的常用热源。根据矩形光斑扫描过的熔覆层呈现上厚下薄的“双椭圆”形状, 提出了椭圆热源模型, 在FLUENT软件平台上建立了基于椭圆热源的三维瞬态激光熔覆温度场和流场计算模型。模拟结果表明, 由于椭圆热源中间高、边缘低的热流分布特点和热量的累积效应, 温度场分布具有后拖现象, 熔池后端较宽, 中部较深。流体速度矢量在熔池中部主要分布在纵截面内, 越靠近边缘, 在横截面分量越多, 且纵截面内较大的涡流位于熔池后方。模拟的熔池整体上呈中间粗、两端细的狭长形貌, 与矩形光斑作用下的实际激光熔覆熔池形貌基本吻合。

将工业机器人应用到增材制造系统中可显著提高其制造能力, 但在对机器人进行扫描轨迹编程时, 示教编程方式难以满足轨迹规划的复杂性和任意性, 而离线编程方式却能有效解决该问题。针对基于库卡某型工业机器人的同步送粉式激光沉积制造设备, 搭建了一套极具通用性和实用性的离线编程系统, 开展了机器人运动学算法研究、动态仿真系统开发、机器人程序输出等工作, 成功将现有专用于金属件沉积成形的辅助编程软件输出的分层切片扫描轨迹数据转换成了机器人6个旋转关节分量, 为沉积制造过程动态仿真和机器人程序输出提供了准确的数据源。通过开展现场试验对系统功能进行了全面验证, 制件形貌达到预期要求, 试验结果表明, 机器人运动学算法准确、位姿变换平滑, 仿真动作姿态与实际完全一致, 输出的机器人程序准确, 解决了先前为工业机器人编制任意、复杂扫描轨迹运动程序较难的问题。

为了研究激光-电弧复合焊不同引导方式对铝合金焊接成形质量的影响, 采用YAG激光-MIG电弧复合热源对10 mm厚5083铝合金板进行平板堆焊试验, 并采用HANNOVER电弧分析仪、高速摄像机、金相显微镜等设备研究不同引导方式下焊缝宏观组织和微观组织的影响。研究表明, 不同引导方式对焊缝成形有较大影响。电弧引导激光焊接(Arc-laser hybrid welding leading, AL)时, 激光与电弧两热源的耦合效果好, 焊缝截面成型良好, 为典型的“蘑菇”状; 激光引导电弧焊接(Laser-Arc hybrid welding leading, LL)激光电弧作用区主要为等轴细晶粒, AL为明显的等轴树枝晶和细小的等轴晶粒。同时二者接头焊缝中心硬度值均略低于焊缝中心到熔合线之间的硬度值。LL焊接较AL时熔池振荡严重, 熔滴易呈爆炸倾向过渡。

采用Roin 4 kW光纤激光器对镀锌钢和高强钢进行激光叠焊, 通过电子显微镜、光学显微镜和维氏硬度仪等, 研究不同板间间隙对焊接接头表面、截面形貌、宏观和微观缺陷、显微组织、显微硬度的影响。结果表明, 当间隙为0.1～0.2 mm时, 焊缝成形良好, 叠焊结合面宽度稳定, 焊缝质量缺陷少, 剪切强度较镀锌板母材大, 且焊缝具有优良的综合性能。镀锌钢和高强钢侧焊缝、热影响区均未出现气孔、裂纹等缺陷。镀锌钢侧焊缝组织以马氏体为主, 高强钢侧焊缝组织为板条马氏体、针状铁素体和晶界铁素体。由于镀锌钢和高强钢侧热影响区及焊缝区产生了淬火马氏体, 其显微硬度均比母材高。

为了满足工业生产中提出的结构轻量化要求, 采用IPG光纤激光器对薄板T型接头进行了激光穿透焊试验, 通过改变激光穿透焊工艺参数, 研究不同热输入对焊接接头显微组织及接头尺寸变形量的影响, 并对接头显微硬度进行了测试和分析。结果表明, 随着热输入的增加, 焊缝熔深增大, 焊缝及热影响区晶粒尺寸增加, 焊缝内马氏体的含量减少, 焊缝及热影响区内显微硬度呈下降趋势; 焊缝组织为马氏体和上贝氏体, 粗晶区为贝氏体和少量马氏体, 细晶区为粒状贝氏体和珠光体; 焊缝及热影响区的显微硬度值均高于母材。

采用纳秒红外激光器对超薄铜片/不锈钢异种材料进行焊接工艺研究。通过对激光功率、脉冲宽度、焊接速度三因素进行正交试验。结果表明, 直径为1 mm的焊点最大剪切力可达18.7 N, 参数为功率80 W, 脉冲宽度100 ns, 焊接速度60 mm/s。通过对焊点切片分析可知, 焊接区域由多条焊缝组成, 熔深一致性较好, 上层紫铜材料嵌入下层不锈钢内部, 下层不锈钢材料部分嵌入上层铜内部, 形成“铆接”结构, 增加了焊缝接头强度。

分别采用波长为532 nm的短脉冲激光(脉宽6 ns)和超短脉冲激光(脉宽15～20 ps)对蓝宝石进行基本作用规律的研究, 探究了多/单脉冲烧蚀点直径与功率的关系, 分析脉冲数与材料阈值的关系, 确定材料阈值。并且对相关作用机理进行系统的对比分析。研究结果表明, 烧蚀点直径的平方与脉冲峰值功率的对数呈线性关系, 根据关系式计算得出光斑半径与实际测量值相符, 并且材料阈值随脉冲数的增加而降低。纳秒绿激光烧蚀蓝宝石材料主要是基于光热作用的机理, 而皮秒激光烧蚀蓝宝石材料在以“电子态”冷去除的同时, 还兼具一些非线性效应。

对约400 μm厚的低温共烧陶瓷流延片进行准分子激光微孔加工工艺实验研究。由于低温共烧陶瓷流延片黏结性强并且微孔结构较小, 提出了采用X光显微成像测试的方法对微孔内部结构轮廓的检测, 对激光微孔加工的孔腔结构形成进行了分析研究。研究结果表明, 在一定范围内, 随着激光打孔脉冲个数的增加及激光能量密度的增大, 所获得的微孔的锥度减小; 较高能量密度的激光束可以提高对低温共烧陶瓷流延片的激光打孔效率, 但过高能量密度的激光束刻蚀材料时对微孔周围的基材产生较强的冲击, 易导致微孔结构的破坏, 对孔型质量造成严重影响。研究采用的X光显微成像测试技术能够快速获得完整的微孔内腔的轮廓图, 对提高激光打孔效率和改善孔型结构质量提供一定的参考意义。

偏振态是激光光束的重要特征之一, 不同偏振态的激光在柔性电路板(FPC)上打孔特性不同。介绍了采用以聚酰亚胺为基材单面电解铜式的FPC材料损伤阈值理论计算方法, 并分析了利用液晶空间光调制器、1/2波片和1/4波片组合实现激光束四种偏振态的控制方法, 得到四种偏振态: 线偏振、圆偏振、径向偏振和角向偏振。通过不同能量的打孔实验测定出柔性电路板在800 nm单脉冲飞秒激光下的损伤阈值为25.44 J/cm2, 并进行了相同功率下四种偏振态激光束对同一FPC材料进行打孔实验。实验结果表明, 径向偏振和角向偏振具有更好的圆度和更大的孔径。

针对在空气环境下金属表面激光标记时, 会出现热影响区较大, 飞溅物易沉积影响加工质量, 同时产生废气和悬浮颗粒, 对环境有污染等问题提出了水辅助条件下进行激光标记二维条码的方法。首先, 从条码质量评定指标的角度, 研究了水层深度对条码图像质量的影响, 然后, 对比分析了在两种环境下的条码图像质量情况。结合微观分析, 证明了水辅助激光标记二维条码的可行性, 并且能够解决空气环境下产生的问题。最后, 通过设计正交试验和方差分析对水辅助条件下激光加工参数与条码评定指标的关系进行了分析, 并进行了参数优化。

聚晶金刚石(PCD)坯料的传统平整加工工艺如机械磨削、电火花铣削、超声波磨削、激光铣削等, 工艺流程为开环控制, 难以达到超精密加工所要求的平整度和光洁度。将二维激光位移传感器与激光扫描振镜集成在同一加工头上, 与XYZ三轴工作台配合, 实现了在线测量PCD表面起伏形貌与自动分块激光扫描抛光的闭环工艺控制。研究了激光能量密度、光斑搭接率、扫描速度对抛光质量的影响。结果表明, 较小的激光能量密度、80%光斑搭接率、扫描速度为100 mm/s时, 可获得最佳的抛光效果。经过4次闭环抛光后, PCD坯料表面粗糙度Ra由40.7 μm降低到1.21 μm, 表面平面度由130 μm降低到30 μm, 抛光精度与机械精磨相仿, 测量-加工闭环控制具有显著的工程应用意义。

虽然冷却水道较好的解决了传统冷却水道冷却不均匀的问题, 但是在设计和制造过程中还是存在很多问题。以典型的盖帽注塑件为研究对象, 设计了五种随形冷却水道方案,通过Moldflow模拟软件进行分析比较, 得出冷却效果最佳的方案,并利用选择性激光融化(SLM)技术制造出带有随形冷却水道的模具镶件并进行注塑实验。结果表明, 与传统冷却水道相比, 最佳方案冷却时间缩短1.2%, 最高温度减小2.9 ℃, 温度均匀性提高58.3%, 同时冷却均匀性非常好, 而冷却水压压力增加14.95 bar。利用SLM工艺制作该镶件仅需10 h, 且成型质量好, 内部结构清晰, 应用于注塑模具的效果良好。

采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法制备氮化硅(SiNx)和含氟氧化硅(SiOxFy)薄膜,探讨了薄膜材料的最佳制备工艺参数,明确了薄膜光学特性与气体流量、射频功率、反应压强等制备工艺参数的关系; 设计并制备了1 064 nm高反射膜, 并与PVD法制备的Ta2O5/SiO2高反膜进行对比, 结果表明, 其反射率在99.0%左右时, PECVD法制备的高反膜具有较高的抗激光损伤阈值, 约为PVD法的2倍。

随着目前通信技术的飞速发展, 保密通信在整个现代通信系统中已经得到了非常广泛的应用。近年来, 各种网络监听设备和监听手段层出不穷, 造成了比较严重的损失, 在通信过程中, 关键问题是保证密钥不被识破。介绍了物理层安全技术基本概念, 分析了当前通信保密性技术及安全性技术, 论述安全编码技术、密钥技术、协作干扰技术、信道估计技术等, 详细分析协作干扰的物理层安全技术在保密通信系统中的应用实现, 并给出了验证方案, 提出基于其在防窃听、抗干扰等领域的应用。分析表明, 及时的协作干扰物理层安全是整个信息通信安全防护体系中最重要的组成部分, 能对通信安全进行有效的保障。

激光技术人才是促进激光产业快速、健康发展的中坚力量, 其飞速发展对高校激光技术人才的培养提出了更高的要求。将产学研模式引入到激光技术人才培养中, 实现培养模式的创新, 探讨产学研结合的人才培养优势, 并提出了产学研结合的人才培养模式的建议。最后, 以大族激光和湖南大学的产学研合作为实例, 分析了激光技术人才培养中引入产学研模式的创新实践活动成果, 为其他高校和激光企业的产学研合作提供了建议, 具有一定的理论价值和实践意义。

目的: 探讨Nd: YAG激光治疗急性智齿冠周炎的临床疗效。方法: 将52例急性智齿冠周炎的患者随机分为激光组和药物组, 激光处理组在局部用药后Nd: YAG激光照射3 d(1次/d), 药物组仅局部用药(盲袋内置入2%碘甘油3 d(1次/d)), 对治疗前和治疗期第1、5天的疼痛指数、张口度、牙龈指数进行评估, 一周后比较两组的有效率。结果: 治疗1 d后, Nd:YAG激光治疗组疼痛指数、张口度改善程度和牙龈指数均优于药物处理组, 差异有统计学意义(P＜0.05), 5 d后两组比较均无统计学意义(P>0.05), 一周后两组有效率相比无统计学意义(P>0.05)。结论: 通过临床观察, 其结果表明: Nd: YAG激光治疗急性智齿冠周炎可明显缓解患者疼痛, 改善张口度, 并且安全高效、操作简便, 值得在临床中推广应用。

目的: 对飞秒激光辅助超声乳化手术相较与传统的扭动超声乳化白内障手术的优越性进行综述。方法: 对国内外发表过的关于飞秒激光辅助下白内障超声乳化手术相关的多篇研究进展及论文进行综合性整理及分析。结果: 飞秒激光完成白内障手术中切口制作、前囊膜切开、晶状体切削、加或不加角膜缘松解等步骤, 减少了人工手术中的不确定性因素, 使白内障手术更加精准, 安全性更高, 使术中及术后并发症均减少。结论: 飞秒激光辅助下的白内障手术较传统超声乳化白内障手术有明显的优越性, 即将成为当今白内障手术的主流。