激光加工过程中材料晶体取向的影响因素分析

激光在能量、波长、时间等方面可选择范围宽,与材料相互作用产生相应的效应,实现多种加工目的。重点针对近年来激光熔覆、增材制造、焊接、脉冲激光沉积、超短脉冲激光加工过程中,材料晶体取向对加工过程的影响展开综述,深入了解材料晶体取向对激光加工的影响,对解释加工过程中微观结构形成机理、材料的工程应用方面具有重要意义。

Ti表面微结构的制备及应用研究进展

表面微结构对材料表面性能有显著影响,在生物、医学、光催化、摩擦学等许多领域有重要应用。Ti由于其具有无毒、无磁、耐腐蚀、低成本等诸多优势成为当下研究的热点。目前关于Ti表面微结构的制备方法种类繁多且不断发展。针对化学、超快激光、超快激光复合三类方法,对现有加工工艺及其应用方向进行了系统的整理与归纳,并探讨了有关Ti表面微结构新的制备方法以及应用领域的拓展。

光纤激光深熔焊接小孔形成过程的研究

为研究小孔的形成过程,在光纤激光平板扫描焊接低碳钢中,采用调制激光出光时间的方式进行实验。结果表明:小孔的形成过程极为迅速,完整的形成时间在ms量级。低速焊接时,小孔的形成过程包括急速增加、缓慢增加和基本稳定不变三个阶段。高速焊接时,小孔的形成过程仅有急速增加过程。进一步实验结果表明:小孔的形成时间不超过激光焊接特征时间,且激光焊接特征时间随焊接速度的增加而减小,这是高速焊接时小孔仅有快速形成过程的原因。

薄壁结构激光焊接随焊高频冲击变形控制

薄壁密集焊缝结构是航空航天、造船及轨道交通等领域的重要结构形式,光纤激光焊接是该类结构有效、可靠的加工方法。构件变形和尺寸收缩是该类构件密集焊接时面临的两个主要技术难题。采用高频随焊冲击的方法进行相关试验,分析该方法对焊缝形貌、表面应力、焊接变形及尺寸收缩的影响规律。通过搭建专用装置模拟了薄壁密集焊缝结构的焊接,将随焊高频冲击位置设置在熔池后方的高温焊缝区。试验结果表明:针对GH3128高温合金薄板,该方法可将焊缝焊后的纵向残余应力由无冲击时的均值390.9 MPa调整为116.1 MPa,减小了约70%;该方法可将构件垂直于焊缝方向的翘曲变形量降低74.5%,将沿焊缝方向的尺寸收缩降低80%;针对06Cr19Ni10材料的圆筒形薄壁构件的多道焊接试验,随焊高频冲击可将构件的尺寸收缩由无冲击时的0.95 mm减小到0.29 mm。

基于热导机制的光纤激光焦点高频旋转点焊工艺

利用焦点高频旋转方法进行了光纤激光点焊工艺研究,并与传统激光点焊工艺进行了对比分析。结果表明,在热导焊接模式下,利用激光焦点高频重复扫描的熔池热积累效应,通过调节激光旋转工艺参数,可以有效调控焊点形貌。随着热量的不断累积,焊点形貌由双"V"形转变为"W"形,直至"U"形。与传统激光点焊工艺相比,焦点高频旋转点焊的焊点宽深比大,且基本无气孔缺陷。同时,该方法可以有效调控焊点显微组织及显微硬度。

光纤激光-TIG电弧复合焊接等离子体形态的可视化观察

基于可视化观察,研究了光纤激光-TIG电弧复合焊接等离子体的多重形貌特征。结果表明:基于等离子体光强的非均匀分布特性,利用多重成像法可同时观测出复合焊接等离子体的三重像和四重像,并可区分出金属等离子体和电弧等离子体,而且采用氦气保护比采用氩气保护更易于区分;在相同的电弧电流和成像条件下,复合焊接等离子体的面积明显大于单电弧焊接等离子体的面积;TIG电弧-激光复合焊接等离子体的面积明显大于激光-TIG电弧复合焊接等离子体的面积;复合焊接等离子体中金属等离子体与保护气并未充分混合,金属等离子体对复合焊接等离子体的形貌、稳定性等方面具有重要影响。

SiC_p/Al复合材料纳秒脉冲光纤激光刻蚀

研究了在高压辅助气体作用下运用纳秒脉冲激光刻蚀SiC陶瓷颗粒增强Al基复合材料的可行性。结果表明,刻蚀深度随激光能量的增加而增大。由于刻蚀过程中发生了复杂的冶金反应,在刻蚀表面很难观察到独立的SiC颗粒。重凝层内Al、Si、C、O元素空间分布相对均匀,其厚度和表面粗糙度随激光能量的增加而增加,并呈饱和趋势。高压同轴气体的机械作用是材料蚀除的主要机制。

奥氏体不锈钢光纤激光同轴保护焊接的实时监测

采用光纤激光同轴保护焊接奥氏体不锈钢,利用激光焊接监测系统同步采集焊接过程中的光信号数据,并结合羽辉的形貌研究不同焊接条件对焊缝成形及光信号强度的影响规律。研究结果表明,光信号强度随着激光功率的增加逐渐增大。当离焦量从-6mm变化到6mm时,光信号强度先减小后增大。光信号变化可反映焊缝熔深的变化,可用于检测搭接间隙和焊缝位置变化引起的焊缝缺陷。通过P信号数据可判断焊接质量异常区的准确位置,焊接过程中光信号的强度同羽辉体积正相关。

AISI304不锈钢箔振镜扫描激光微焊接工艺

振镜扫描激光微焊接是激光微焊接的发展方向。采用基模光纤激光器及振镜系统对厚度为100μm的AISI304不锈钢箔进行平板扫描焊接,对比研究了氩气保护与无气体保护时的激光微焊接工艺,建立了两种条件下激光微焊接的工艺窗口。结果表明:无气体保护时,激光微焊接会产生不稳定过渡区,其产生机理不是热导焊接模式和深熔焊接模式的交替出现,而是氧化导致的深熔焊接过程不稳定;气体保护可以避免不稳定过渡区的产生,并扩大焊接工艺窗口。

薄板铝合金光纤激光压焊坡口内材料的熔化行为

利用光纤激光扫描焊接铝合金V型坡口,研究了坡口角度、透镜焦距、离焦量等对坡口内材料熔化行为的影响。结果表明,V型坡口对光纤激光具有明显的汇聚作用。当焦距为300mm、离焦量为0~10mm、坡口角度为5°时,坡口内可获得较好的熔化效果。进一步分析表明,这与铝对光纤激光在布儒斯特角处的吸收率不高有关,但由于每次反射会损失部分激光能量,因此光纤激光在V型坡口内的反射次数不宜过多。

长焦距绿光飞秒激光玻璃焊接

超快激光玻璃焊接通常采用大数值孔径显微物镜对激光束进行聚焦,焊接严格限制在极小的焦体积内,且工作距离短,焊接速度低,焊缝宽度窄,不利于工业应用。采用75 W绿光飞秒激光器和255 mm长焦距扫描振镜实现了显示屏玻璃的非光学接触高速焊接,获得了焦点位置、脉冲能量和扫描速度对焊缝成形的影响规律以及焊接工艺窗口,无缺陷焊接速度可高达6 m/min。焊缝的剪切强度可高达20 MPa,并具有良好的耐水性和高透过率,说明本焊接方法具有广阔的应用前景。

微纳米结构TiO_2的飞秒激光结合化学氧化复合制备及其光催化性能

直接在Ti基底表面制备的三维微纳米复合结构TiO_2具有比表面积大、光利用效率高、电荷传输阻抗小的优势。采用飞秒激光对Ti片进行刻蚀制备微米结构,使用H_2O_2在微米结构表面氧化制备纳米多孔TiO_2。该复合方法制备的三维微纳米复合结构TiO_2在紫外波长范围内平均反射率低于5%。光催化降解甲基橙结果显示,飞秒激光制备的微米结构形状和尺寸特征对催化性能有显著影响。该复合结构性质稳定,多次降解循环速率保持不变。飞秒激光化学复合制备的方法可以充分发挥飞秒激光在Ti基底表面超精密、可控制备的优势,对实现金属表面金属氧化物功能材料的制备具有重要意义。

基于可视化观察的光纤激光深熔焊接羽辉形成原因分析

采用高速摄像仪观察了光纤激光深熔焊接羽辉的动态行为,分析了羽辉的形成原因。结果表明:羽辉可分为底部周期性摆动部分和类似于激光束聚焦形态的狭长形部分;当小孔前壁上激光致蒸发蒸气靠近小孔口时,底部周期性摆动羽辉的摆动角度最大,反之,底部周期性摆动羽辉的摆动角度最小;狭长形羽辉的强度随着离焦量的增加(或深熔小孔口直径的增大)而增大。进一步分析表明:底部周期性摆动羽辉的形成与小孔前壁表面激光致蒸发蒸气的喷发有关;底部摆动羽辉的喷发过程中存在大量微粒;狭长形羽辉的形成与底部摆动羽辉沿光束方向喷发时携带的微粒进入光束内、受激光束加热发光有关。

激光-钨极稀有气体电弧复合焊接等离子体的多重成像特征

利用高速摄像仪自带的多重成像镜头观测了CO_2激光-钨极稀有气体(TIG)电弧复合焊接等离子体的多重成像特征。结果表明:采用多重成像技术可同时获得同一个等离子体的三个面积逐渐减小、光强逐渐增大的区域形态;氩气保护复合焊接等离子体的颜色由蓝白色逐渐变为红色,不能区分金属和氩弧等离子体;在氦气保护下,自第二次成像开始,氦弧等离子体几乎不可见,仅余仍为亮白色的金属等离子体;等离子体中的氦在可见光区辐射的线状谱较少(光强相对弱),是氦气保护下能明显区分出金属等离子体的主要原因;复合焊接中金属等离子体与保护气等离子体没有充分混合,电弧等离子体对金属等离子体的形态具有显著影响。

2198铝锂合金激光填丝焊接接头腐蚀行为

2198铝锂合金具有密度低、力学性能好、比强度高、耐高温、可塑性强等优点,是航空航天领域理想的结构材料。针对2198铝锂合金填充ER4047 Al-Si焊丝激光焊接接头的显微组织及在质量分数为3.5%的Na Cl溶液中的腐蚀行为进行研究。利用光学显微镜、扫描电镜及透射电镜对焊接接头微观组织形貌、析出相的种类及分布研究的基础上,室温下采用浸泡实验法和电化学腐蚀法对母材和焊缝腐蚀行为进行了系统的研究。结果表明,2198铝锂合金母材组织较粗大,晶粒沿轧制方向生长,在粗大的组织中随机分布着尺寸在几百纳米左右的颗粒状和针状的T1相,而填充ER4047 Al-Si焊丝激光焊接后,热影响区极窄、焊缝组织细小、成分均匀、析出相的种类多样,呈等轴细晶状组织,靠近熔合线处组织呈垂直于熔合线生长的柱状晶。室温下在质量分数为3.5%的Na Cl溶液中,焊缝和热影响区为均匀腐蚀,腐蚀斑点面积小、蚀点浅。母材为点蚀,随着浸泡时间增加,腐蚀斑点面积变大、蚀点加深。焊缝的开路电位、自腐蚀电位和极化电阻均高于母材,腐蚀电流密度则小于母材。