塞斯纳172飞机发动机机匣脉冲激光清洗工艺研究

针对航空发动机机匣表面除漆需求,采用纳秒脉冲激光开展了塞斯纳172飞机发动机机匣表面漆层的激光清洗研究。通过对机匣除漆区域的表面形貌及粗糙度进行分析,探究了激光能量密度与扫描速度对机匣表面漆层清洗效果的影响规律,确定了机匣激光除漆最佳工艺参数,并对机匣除漆后的表面质量、显微硬度及粗糙度进行综合评估。结果表明,能量密度和扫描速度均显著影响机匣除漆质量,能量密度18.33 J/cm^(2)、扫描速度1600 mm/s时,可实现除漆率98.7%,表面粗糙度S_(a)为2.48μm,机匣本身未损伤,表面显微硬度提升1.9%,满足机匣表面除漆质量要求。研究结果为发动机机匣激光除漆提供了理论与技术支持。

激光焊接技术最新研究进展及应用现状

对激光焊接各加工技术的最新研究进展进行了全面地梳理和总结,综述了激光焊接从焊接工艺加工、激光焊接中间过程的控制和激光焊接缺陷处理的全流程的内涵、特点和研究新趋势的国内外研究进展。介绍了激光焊接系统的核心元器件的应用以及其在汽车、石油管道、电车设备等领域的装备加工工程中的工程化应用。

激光制备超疏水表面研究进展

由于超疏水表面在防腐、油水分离、流体减阻和液体转移方面的应用潜力,如何制作性能优异的超疏水表面成为研究热点。材料表面的形貌特征是决定其润湿性能的一个重要因素,因此,通常采用表面结构化来获得超疏水性能。在材料表面构织微纳结构方面,基于脉冲激光的微纳加工技术具有得天独厚的优势,尤其是在制作特定图案的复杂结构方面。本文根据激光器的脉冲宽度分类,通过刻蚀后材料表面形貌和润湿性特征对激光制作超疏水表面的基本理论和典型工艺方法进行介绍和总结,并对超疏水表面的发展前景作出展望。

基于多谱线内标法的不规则铜合金样品中Pb元素成分检测研究

原位分析和在线检测是激光诱导击穿光谱(LIBS)技术的一大优势,但是,在野外环境中,人们无法对样品进行统一预处理,面对各种形态的待测样品如何保证LIBS的检测精度是函待解决的一大难题。提出一种多谱线内定标的方法来解决上述问题,即通过求解多条分析谱线的强度和与内标元素谱线的强度比值来建立定标曲线,进而降低光谱信号波动带来的误差,提高线性相关性和检测精度。实验中以铅黄铜合金样品为例,采用LIBS对厚度不一(最大变化值为±2mm)的铅黄铜样品中的Pb元素进行了定量检测研究,并分别采用传统定标法和多谱线内定标法对这种不规则样品进行校正和建立定标曲线。实验发现,对于不规则样品,传统定标法的检测精度大大降低,定标曲线没有明显的线性关系。当采用单条谱线的内定标方法时,定标曲线线性相关度大大提高,校正决定系数达到0.72489。而采用多条谱线内标方法(考虑多条分析谱线的相对强度总和)计算发现,当选取5条Pb谱线(Pb261.42nm,Pb280.20nm,Pb368.35nm,Pb405.78nm和Pb520.14nm)进行计算时,定标曲线线性拟合度达到0.9846,由此可见该方法消除了样品不规则所带来的光谱强度波动误差,显著提高了测量精度。虽然继续增加分析谱线数目可以进一步提升线性相关度,但是也会增加计算的复杂度,所以选择合适的分析谱线是十分重要的。此外,通过多谱线内标法也能一定程度上消除基体效应和光谱干扰等影响,是一种简单有效且具备普适性的数据处理方法。当然,该方法也存在一定的局限性(如样品成分分布极不均匀、样品表面极不规则致使激光能量低于击穿阈值等),不过通过调整和优化检测装置方案(例如增大激光能量、增大聚焦光斑、采用长焦距聚焦透镜等)可以更好的发挥该方法的优势。该研究内容可以为LIBS原位检测和在线检测的应用提供一种新思路。

动力电池管理系统抗电磁干扰问题研究

针对动力电池充电和使用过程中存在的电磁干扰问题,以某款电动汽车的动力电池包为研究对象,针对充电和使用过程中存在的电磁干扰现象,从硬件电路分析着手,分析了电磁干扰产生的后果和影响,对动力电池管理系统的硬件电路进行了优化设计。优化设计前后的测试结果对比表明,优化设计后的电池管理系统有了良好的抗电磁干扰性能,满足使用要求。

纳秒激光微刻蚀取向硅钢的形貌特征及磁性能

为有效降低取向硅钢铁损、改善其磁性能,采用红外纳秒激光对取向硅钢进行微刻蚀试验。利用3D共聚焦显微镜、扫描电镜与能谱仪研究典型工艺参数下的硅钢表面烧蚀形貌特征及表面质量,利用铁损仪测试不同刻蚀参数下取向硅钢的铁损、相对磁导率等磁性能参数及动态磁滞回线,对比分析刻痕前后磁性能的变化行为、规律及磁滞特性。结果表明:激光刻痕后,硅钢的铁损、相对磁导率、矫顽力及剩磁等性能得到明显改善,铁损的改善表现在高磁感强度下、相对磁导率的改善表现在低磁场强度下,回线特性得到优化。扫描速度为800 mm/s、脉冲能量为0.25mJ时,刻痕边界呈近似规则的“波浪线”,且刻痕表面质量较高,铁损降低高达11.6%、剩磁降低12.8%等;刻痕后相对相对磁导率明显提高,提高约为5.7%~15.16%,最大可达2.598×10^4。激光频率与扫描速度的耦合关系是影响刻痕边界形状与磁畴细化效果的重要因素。

激光单脉冲作用下的漆层凹坑形貌模拟研究

研究激光单脉冲作用后漆层表面的凹坑形貌可以有效抑制激光多参数叠加效应及脉冲重叠的光热与光力效应,有助于揭示激光与材料的作用机制,同时可为激光参数优化提供依据。本团队利用实验凹坑形貌数据获得漆层去除深度d及能量密度F的关系式,并基于烧蚀机制建立了高斯激光单脉冲作用后模拟漆层凹坑形貌的数学模型,采用MATLAB对13.58~27.16 J/cm^(2)能量密度下的凹坑形貌进行了模拟与验证。结果表明:低能量密度(13.58~16.98 J/cm^(2))下,凹坑深度和直径误差均小于5%,凹坑表面近似为旋转抛物面,凹坑剖面轮廓近似为抛物线;高能量密度(20.37~27.16 J/cm^(2))下,凹坑深度误差小于5%,但凹坑直径误差高达40%,模拟结果与实验结果存在显著差异。误差分析表明,在高能量密度下,等离子冲击与热辐射机制对凹坑形貌具有显著影响。基于上述分析对模型进行修正,修正模型对凹坑深度和直径的模拟误差均控制在5%以内,显著提高了模型模拟的准确性。基于凹坑形貌实验数据建立的形貌模型以及该模型的验证,不仅揭示了不同能量密度下激光与材料主要作用机制的差异,还为高、低能量密度下除漆效果的精确控制及激光参数优化提供了参考。

基于响应面分析的飞机蒙皮激光除漆可控性研究

随着飞机蒙皮“部分褪漆”维修理念的提出,多漆层结构激光除漆的可控性值得关注。基于响应面分析方法,建立了激光参数(光斑搭接率、激光功率及扫描次数)与可控性指标(漆层去除厚度、表面粗糙度)间的数学模型,分析了激光多参数耦合作用对可控性指标的影响规律。结果表明:激光参数对漆层去除厚度的影响顺序依次为扫描次数、激光功率、光斑搭接率,且均为正相关;表面粗糙度随光斑搭接率的增大而减小,随激光功率的增大而增大,扫描次数对表面粗糙度的影响具有峰值效应。验证试验结果表明:响应面模型可为厚度精度为±5μm的激光可控除漆提供参考。基于响应面分析方法建立的多漆层结构激光可控清除数学模型,可为飞机蒙皮漆层的激光可控清除提供方法指导与理论支撑。

激光加工在线监测技术研究进展

激光加工技术是一种非接触式先进加工技术,主要利用激光与物质相互作用过程中产生的光物理、光化学反应对物质进行加工.现阶段,激光加工技术在航空航天、汽车制造、医疗卫生、仪器仪表和核工业等领域有着极为重要的应用价值.随着该技术工业化程度的不断加深,对其加工效率和加工质量提出了越来越高的要求.相比于使用成本较高的超短脉冲激光器实现这一目标,使用监测技术对加工过程进行观察和调控是更为合理的手段.传统的离线监测技术采用先加工后分析的方式对激光加工进程和加工缺陷进行监测,这种方法往往伴随着较差的时效性和较低的工作效率,在面对工况复杂多变、工件结构和组分多样化的实际工业生产时无法大规模应用.因此,在线监测技术作为一种必要的辅助手段,目前逐渐被广泛地应用到激光加工过程中.本文首先从时间尺度上分析了激光与物质相互作用的机理,阐述了不同脉宽激光加工时的一系列物理现象,明确了在线监测系统工作的切入点.针对国内外在激光加工过程中应用的在线监测技术进行了系统综述,详细分析了由声学传感器、光谱仪、光电二极管、视觉传感器和温度传感器等单一传感器构成的在线监测技术各自的工作原理、系统组成以及优缺点,同时阐述了这些传感器之间相互复合以及将传感器与新兴的人工智能技术结合的在线监测技术的应用现状,并基于现有在线监测技术的不足对其未来的发展趋势进行了展望.

飞机蒙皮激光除漆对基材表面完整性的影响

为了验证激光清洗飞机蒙皮表面漆层的可行性,阐明漆层清除对基材表面完整性的影响,采用脉冲光纤激光器在12.89~25.48 J/cm^(2)能量密度下对2024铝合金飞机蒙皮开展了除漆实验,研究了除漆效果、基材表面形貌、粗糙度、显微硬度及微观组织特征的变化规律,利用Ansys Workbench软件模拟分析了温度场分布对除漆效果和基材表面完整性的影响。结果表明,随着能量密度的增大,残漆率降低,基材表面粗糙度(Sa)和峰谷高度差(PVHD)增大,显微硬度小幅提升,同时表面晶粒细化,位错密度增大,强化相σ(Al_(5)Cu_(6)Mg_(2))析出,当能量密度大于22.90 J/cm^(2)时,漆层彻底清除。在22.90 J/cm^(2)的能量密度下,漆层与基材交界处的温度为415.46℃,低于基材的初始熔化阈值,基材表面未发生明显的塑性变形,PVHD为8.28μm,显微硬度相较于原始试样提高了2.8%,获得了良好的表面完整性。研究结果为提升激光除漆技术在航空工程领域中的应用可靠性与安全性提供了参考。

515 nm皮秒激光环切加工微孔实验研究

为解决毫/纳秒激光加工微孔质量差的问题,利用515nm皮秒激光对厚度为0.1mm的不锈钢进行环切法加工直径100μm的微孔实验。采用激光共聚焦显微镜对加工后形貌和质量进行观察与表征,研究激光能量密度、扫描速度和离焦量等因素对加工后微孔形貌与质量的影响规律。实验结果表明,能量密度对微孔内壁质量有直接的影响,在保证去除能力前提下,控制能量密度在6.45J/cm^2以下,可有效减小微孔内壁的热影响区。同时实验还发现,适当增加扫描速度能够改善环切加工微孔切口和内壁的质量。在激光能量密度6.45J/cm^2扫描速度200mm/s时,孔锥度为2.72°随着扫描速度的增大,锥度减小,最后稳定在2.29°左右,正离焦加工也能一定程度上减小孔的锥度。此研究结果表明,优化工艺参数能够加工出热影响区小、边缘质量好且锥度小的微孔。

基于200 PS激光的人造金刚石激光精细加工实验研究

皮秒激光精密加工金刚石等硬脆性材料是当前最佳工程解决方案与技术前沿热点。常规采用脉冲宽度≤20 ps激光光源,可以实现切割面崩边<5μm,表面粗糙度Ra1.6的切割质量。我们采用脉冲宽度200 ps的低成本皮秒光纤激光器,对激光功率与切割速度等工艺参数进行优化,通过外光路整形系统对光束进行整形,以及聚焦透镜的优化设计等关键技术进行研发,实现了切缝的最大崩边宽度≤6μm、表面粗糙度Ra1.6的加工质量,其加工效率与20 ps激光精密加工工艺一致,生产成本显著降低,满足了生产金刚石刀具精密切割需求,可解决拉丝模、刀具刃口加工的后续抛光问题。

表面硅烷改性和激光加工微倒钩结构对铝合金-CFRP胶接接头性能的影响

碳纤维复合增强材料(CFRP)作为一种力学性能优异的新材料,已经成为航空和汽车轻量化领域的优选材料。因此实现CFRP与铝合金的高强度连接是提升CFRP与铝合金复合结构件整体强度的关键。提出了一种激光阶梯扫描制备倒钩阵列的方法,并将该方法与硅烷表面改性相结合,实现了铝合金与CFRP接头的高强度连接。实验结果表明:激光阶梯扫描制备的倒钩阵列大大增强了胶接界面之间的机械互锁效应,进而增强了接头强度。硅烷偶联剂改性后铝合金与黏结剂之间出现了硅烷过渡层,接头强度得到进一步提升。与砂纸粗化处理相比,激光处理后强度提升了24.6%,达到16.7 MPa,硅烷改性后强度得到进一步提升,达到17.4 MPa。

激光冲击波调控NiCrBSi熔覆层表面应力状态研究

为探究熔覆涂层表面加载激光冲击波对其应力状态、大小及微观组织的影响,采用高能量脉冲灯抽运YAG激光器对NiCrBSi合金涂层进行激光冲击调控,利用X射线衍射应力分析仪对激光冲击调控前后的合金涂层表面应力状态进行分析,利用扫描电镜观察涂层微观组织,探究涂层组织与激光冲击波植入拉应力的关系。结果表明,激光双点离散冲击后,冲击区与近冲击区均呈压应力,最大压应力为-350MPa。单道单层连续激光冲击后,熔覆层压应力最大值为-328.74MPa,植入压应力最大可达489MPa。激光冲击前熔覆层未搭接区较搭接区的组织更均匀,初始晶粒更细小。激光冲击前熔覆层搭接处的最大主应力平均值约130 MPa,与单道单层相近,最小主应力表现为压应力均值约-20 MPa,但激光冲击后搭接处的应力降幅仅250 MPa,比单道单层小。

离子浓差极化效应及其在微纳流控分子富集系统中的应用进展

离子选择性输运导致的离子浓差极化(ion concentration polarization, ICP)现象与微纳流控技术的结合为生物分子检测、离子分离和海水淡化等许多领域问题提供了新的解决方案,也为传统ICP问题的研究提供了新的技术平台.本文首先对ICP现象做简要介绍,对理论和仿真方面的最新研究成果进行梳理,重点介绍第二类电渗流的产生机理及其对超限定电流的决定作用.然后,对微纳通道系统,特别是哑铃型和H型微纳通道系统中的ICP现象进行解释,对基于ICP效应的带电分子富集、海水脱盐、整流等应用系统进行概述,着重介绍带电分子富集方面最新的仿真研究成果.

嵌有离子选择性膜的微通道内增强电渗流及除盐效应分析

离子选择性纳米多孔膜材料在分子分离、海水淡化、生物分子富集、电池等诸多科学工程领域都有着非常重要的应用.本文通过数值仿真分析嵌有阳离子选择性膜的带电微通道内增强电渗流以及系统的除盐效应.结果表明,当浓度为1 mmol L^(-1)的KCl溶液在40 V cm^(-1)的外电场驱动下流过长60μm、宽10μm的微通道时,如果在通道中心离子选择膜性上加25 mV的跨膜电压,除盐效率约为29%;而当跨膜电压为250 mV时,除盐效率则高达89%.流体运动方面,在低跨膜电压下,通道内流体运动由传统电渗流主导,压力流主要用于平衡通道上游与下游电渗流速度的差别.然而在高跨膜电压下,膜表面附近生成很强的非线性涡流,进而形成泵效应;通道内流体运动则是压力流为主导,通道上下游均呈现带滑移边界的压力流特征.对照等参数的无膜通道,嵌膜系统在跨膜电压为400 mV时可以实现15倍以上的流速.本文所揭示物理机制可为新型微泵以及海水淡化装置的设计及优化提供重要的指导.