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利用光学相干断层扫描技术对高亮度激光束源进行在线焊缝深度测量
摘要： 由于电驱动应用中对激光焊缝深度精确定义的需求日益增长，过程在线监测与控制的重要性也随之提升。为应对工艺数据采集的挑战，本文提出采用新型传感器概念实现高亮度激光源深熔焊过程的监测。实验表明，通过对比传感器测量的材料表面距离与小孔底部距离，光学相干断层扫描（OCT）可用于焊缝深度测量。本研究首次将该测量原理应用于高聚焦激光束源的焊接过程观测：首先开展预实验研究入射角、材料及焊缝几何形状对传感器信号质量的影响，使用聚焦直径320μm的多模光纤激光器时，测量结果显示铝与铜存在显著特性差异；随后将这些测量信号特性发现应用于光斑直径仅55μm的单模光纤激光焊接，其OCT测量光束光斑直径约50μm（略小于单模加工光束）。通过多样化测试确定了该测量方法的极限性能，结果表明OCT技术能同时适用于多模激光与高聚焦单模激光的焊缝深度在线监测，并识别出材料特异性熔池动力学、特征反射与吸收特性等多种信号影响因素。
关键词： 高亮度激光束源、焊缝深度测量、光学相干断层扫描、激光束焊接
更新于2025-11-28 14:24:20
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激光粉末床熔融增材制造过程及高能密度激光焊接中孔隙形成机制的直接观测
摘要： 激光粉末床熔融（LPBF）是一种能够制造传统工艺无法实现的复杂几何形状部件的3D打印技术。然而，打印过程中形成的气孔会损害部件的力学性能，严重阻碍其广泛应用。本研究报道了LPBF过程中观察到的六种气孔形成机制。我们的结果再次证实了三种已知机制——匙孔诱导气孔、原料粉末导致的气孔以及激光熔化时因挥发性物质汽化或微小封闭气体膨胀沿熔合边界形成的气孔。同时发现三种新机制：(1) 表面波动捕获的气孔；(2) 浅凹坑区波动导致的气孔；(3) 裂纹引发的气孔。这些发现为LPBF过程中的气孔形成机制提供了直接证据和深入见解，可指导气孔消除/缓解方法的开发。由于本研究涉及的某些激光加工条件与高能密度激光焊接情况相似，该结果对激光焊接也具有参考价值。
关键词： 孔隙形成、激光粉末床熔融、X射线成像、激光焊接、增材制造
更新于2025-09-23 15:21:01
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钛基复合材料选择性激光熔化过程中热行为、流体动力学及表面形貌的介观尺度研究
摘要： 基于随机堆积粉末床模型开发了介观尺度模拟方法，用于研究钛基复合材料选区激光熔化（SLM）过程中的热行为。系统考察了工艺参数对熔池内热行为、流体动力学及表面形貌演化的影响。结果表明：随着激光功率提升，工作温度、冷却速率和熔体存活时间显著提高；高激光功率条件下熔池尺寸增大，出现湍流流体运动，夹杂气体逸出效率提升且增强相颗粒在熔池内实现高效重排。优化工艺参数时，激光与粉末相互作用区域的温度峰值明显消失并形成3300K的最高温度，平台因热积累产生的平均工作温度高达1300K。模拟预测的熔池表面形貌随激光功率增加呈现连续孔隙→碎片状→典型规则液相前沿→湍流液相前沿及飞溅球化现象的演变规律。当激光功率200W、能量密度140J/m时，最大速度位于前后区域，熔体前进前沿的速度矢量指向熔池后部，表明辐照区熔体可实现高效补缩从而避免残余孔隙形成，最终获得液相前沿清晰、飞溅少且表面平整的良好效果。模拟表面形貌与实验测量结果一致。
关键词： 表面形貌、热力学、介观模拟、选择性激光熔化、钛基复合材料
更新于2025-09-23 15:19:57
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采用原位粉末混合激光粉末床熔融技术实现三维金属-玻璃功能梯度材料构件的增材制造
摘要： 现有的商用粉末床熔融三维（3D）打印系统通常每个组件只能打印单一材料。本文采用自主研发的基于喷嘴的多材料选择性激光熔化（MMSLM）系统，制造了成分从铜合金渐变至钠钙玻璃的功能梯度材料（FGM）。研究设计了一套原位粉末混合系统，能按选定比例混合金属与玻璃粉末，并通过多喷嘴超声振动粉末供给系统输送混合粉末。截面分析显示，梯度结构中玻璃比例从金属基复合材料（MMC）经过渡相逐渐增至陶瓷基复合材料（CMC）。激光加工过程中，纯铜合金与MMC部分结合，纯玻璃相渗入CMC部分并锚定玻璃相——这成为FGM实现3D打印件中纯金属与纯玻璃结合的主要机制。通过对梯度材料样品的压痕、拉伸及剪切测试表明：FGM的力学性能从延展性（金属侧）向脆性（玻璃侧）渐变，其最薄弱部位出现在过渡相与CMC的界面（即延性与脆性相的交界处）。
关键词： 铜-玻璃，粉末床熔融，水平梯度结构，多材料选择性激光熔化，功能梯度材料
更新于2025-09-19 17:13:59
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工艺参数对选区激光熔化316L/CuSn10界面特征的影响机制
摘要： 双金属结构能够结合不同金属材料的性能，以满足工业解决方案中的多功能需求。本文通过自主研发的多材料选区激光熔化（SLM）设备制备了钢-青铜双金属结构。为研究激光功率、扫描速度和扫描间距对界面特征的影响，在316L不锈钢层上方成形二十层CuSn10锡青铜时进行了三因素五水平的正交实验。采用光学显微镜（OM）、大景深显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、拉伸性能测试、电子背散射衍射（EBSD）和纳米压痕等技术对这些双金属结构进行表征，以验证工艺参数的影响。大景深显微镜显示钢/青铜界面存在凸起，其高度随体积能量输入增加先升高后降低。此外，界面缺陷的产生与界面工艺参数相关，发现缺陷类型主要分为孔洞和裂纹。能量不足会导致水平方向产生裂纹进而引发结合失效，反之较高能量输入会在垂直方向产生微裂纹。界面区域附近的缺陷是影响结合强度极限值的主要因素。结果表明，钢-青铜双金属结构展现出最佳接头极限强度459.54±3.08 MPa（延伸率5.23±0.65%），以及最小接头极限强度199.02±0.56 MPa（延伸率1.70±0.22%）。其断口形貌也分别呈现沟槽状和扇形特征。此外，EBSD结果显示界面区域出现细晶区，有助于提高该区域的平均纳米硬度。本研究为选区激光熔化制备钢-青铜双金属零件的工艺参数对界面特征和力学性能的影响提供了参考。
关键词： 界面表征、力学性能、选择性激光熔化、双金属结构、多材料
更新于2025-09-19 17:13:59
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集成激光粉末床熔融与熔丝制造的混合金属/聚合物三维打印技术
摘要： 要生产复杂功能器件并消除装配需求，需采用集成熔融沉积成型（FFF）与激光粉末床熔融（PBF）技术来制造金属-聚合物混合部件。该系统的设计与操作流程基于激光加热原理，通过PBF打印的互锁结构实现金属/聚合物连接，并通过论述阐明了控制连接强度的机理与科学依据。拉伸与剪切测试证实了该金属/聚合物多材料增材制造技术具有良好的连接强度。本文提出了一种引入PBF打印金属与FFF打印聚合物（二者材料特性迥异）的3D打印系统，所制组件无需使用粘合剂。此外，还演示了通过激光熔融将金属粉末沉积至聚合物基底顶部的工艺——成功在PLA/SS 316L复合基底顶部沉积了铜（Cu10Sn）层，但其连接强度问题仍有待解决。最终成功打印出含不锈钢（SS 316L）、铜（Cu10Sn）及聚合物（PLA、PET）的多种混合3D组件，并探讨了其潜在应用。
更新于2025-09-16 10:30:52
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激光表面改性对铝与聚乙烯摩擦压接结合强度的影响
摘要： 摩擦压接是一种创新的连接工艺，可在无添加剂的情况下实现塑料-金属搭接结构的连接。为获得高结合强度，金属连接件需预先进行激光辐射处理。随后在连接过程中通过摩擦和压力产生热量，使热塑性材料熔化并附着于金属连接件。本研究分析了复合结构在连接过程中的温度分布特征，发现产生的温度及温差不仅取决于转速，还受进给速率影响。研究同时表明，摩擦面温度可作为基于模型的闭环控制间接控制变量。基于这些发现，我们研究了金属连接件多种表面改性方案对连接接头最大强度的影响，发现准混沌纳米结构可实现最高拉伸剪切强度。此外，通过金相切片对连接复合层进行表征，有助于识别接头中的特定区域。这些研究揭示了塑料与金属摩擦压接的巨大潜力，为基于模型的连接区温度控制奠定了基础。
关键词： 聚合物金属连接、异种材料连接、铝、混合键合、热塑性塑料、摩擦压接
更新于2025-09-12 10:27:22