用二元光学器件实现对CO2激光束的圆形光斑到均匀光强分布的矩形光斑的变换

设计并制作了一种具有8个位相级的二元光学器件，将波长为10.6μm CO2激光器输出的圆形光斑变换成均匀光强分布的矩形光斑。器件制作在GaAs基片上，两面镀有光学增透膜，适用于2000W的大功率激光加工系统中。此器件可以根据需要设计成不同规格。     

方形光斑激光冲击690高强钢表面残余应力分布模拟

为研究方形光斑激光冲击690高强钢表面残余应力的分布,在ANSYS/LSDYNA平台进行了二元光学衍射方形光斑激光冲击690高强钢薄板的残余应力分布模拟,并对其不同光斑搭接率处理工艺研究,得出了几种工艺下激光冲击690高强钢表面残余应力分布的云图和二元衍射光斑转换前后的残余应力分布曲线。结果表明,采用二元衍射光斑工艺进行激光冲击对于消除残余应力洞有较好效果;在33%、50%、66%这3种典型的搭接率下,二元光学衍射光斑周围区域残余应力分布比较均匀,且不同搭接率下的最大残余压应力和光斑中心最小残余压应力均相互接近,所以二元衍射光斑激光冲击690高强钢无需搭接处理。     

光斑直径对纯钛薄片激光封孔的影响

采用Nd:YAG低功率脉冲激光对0.4 mm纯钛薄片的微孔进行封焊,研究光斑直径对焊缝成形的影响规律,并分析作用于封接区的激光能量变化。研究表明,当光斑直径不大于0.4 mm时小孔能够完全封接,封接区有效厚度随着光斑直径的增大呈先增大后减小的趋势,其最大有效封接厚度约为352μm,封接接头主要由不同形态的α晶粒组成,在封接区边缘存在较大的热影响区。另外,随着光斑直径的增大,封接区上表面熔化面积基本不变,但封接模式由匙孔型向热导型转变,其中热导型模式更适合小孔封接。对作用于封接区的激光能量计算发现,理论能量值与光斑直径成正相关,而实际金属熔化量与光斑直径成反相关,造成此现象的原因是小孔边缘熔化的金属在重力等力的作用下向小孔内流动,从而可以吸收更多的激光能量。     

通用磁流变抛光斑空间确定性创成方法

针对磁流变机床形式多样和不同加工工艺对磁流变机床联动要求不一的特点,文章提出了一种通用的磁流变抛光斑空间确定性创成方法,解决抛光斑创成控制系统难以移植的问题。首先通过研究得到单一部件运动表征方法,进而建立多部件联合运动分析方法;其次,利用低序体理论形成了方便计算机编程实现的通用抛光斑空间确定性控制方程;最后,通过仿真和工艺试验表明了所提方法的正确性。该方法可以为建立通用柔性抛光分析系统提供理论支撑。     

椭圆形光斑黏连图像过分割消除方法

为了实现成捆圆钢中各圆钢端面图像边界的自动识别,提出了椭圆形光斑黏连图像过分割消除方法,并对该方法的原理、步骤和验证实验进行了研究。通过对圆钢端面椭圆形光斑黏连图像过分割产生原因的分析,给出了过分割图像的两种类型,即严重过分割图像和少量过分割图像。提出了等角六叉旋转算子,在图像分割前识别出圆钢端面椭圆形光斑黑白图像上的黑疤,并对这些黑疤区域进行填充,避免严重过分割图像的产生;通过对椭圆形光斑图像过分割区域边界进行"缝合",实现了少量过分割图像的还原;实现了各圆钢端面黏连图像边界的分离。应用以上方法进行了成捆圆钢端面图像中心坐标的提取实验,实验结果表明:成捆圆钢端面图像中心水平和竖直坐标的提取误差范围分别为-0.322 2～0.444 5 mm和-0.294 0～0.399 0 mm,完全满足企业在成捆圆钢自动贴标时对圆钢端面中心坐标定位误差允许值1 mm的要求。     

超高速线光斑激光熔覆不锈钢涂层显微结构及性能研究

目的 设计超高速线光斑激光熔覆送粉喷嘴,在极高的熔覆效率和极低的搭接率下制备不锈钢熔覆涂层,对比研究圆光斑及线光斑下的熔覆涂层的微观组织结构及性能。方法 基于送粉喷嘴流场及粉末粒子运动轨迹的模拟研究,设计超高速线光斑激光熔覆专用送粉喷嘴。在此基础上,以27SiMn为基体,采用1 mm´ 10 mm线光斑,在10%搭接率、熔覆效率4.5 m²/h下,采用超高速线光斑激光熔覆FeCr合金薄涂层;作为对比,采用超高速圆形光斑(2 mm)激光在0.2 m²/h熔覆效率下熔覆FeCr合金涂层。采用SEM、XRD对比分析线光斑/圆光斑涂层微观组织结构与涂层显微硬度。结果 通收束角度为25°~27°的单流道送粉喷嘴可得到分布均匀、飞行速度适中的粉末束流。对比研究超高速线光斑及圆光斑激光熔覆涂层可知,相同扫描速度下2种光斑制备的涂层均较为致密,无裂纹与气孔,由熔覆层底部到熔覆层表面均呈现出平面晶—柱状晶—等轴晶的变化趋势,线光斑和圆光斑涂层硬度在700~800HV,线光斑下的熔覆层硬度分布更加均匀,表面粗糙度Ra可低至<4 μm,搭接率可低至10%,熔覆效率可达 4.5 m²/h,远高于圆光斑激光下的熔覆效率。结论 2种光斑模式下的涂层微观组织、相组成及硬度相当,但超高速线光斑激光熔覆层表面光洁度更高,表面粗糙度更低,熔覆效率可达圆光斑的20倍。     

基于自适应ROI算法的光斑中心检测

针对光照致使光斑图像退化无法准确检测光斑中心的不足,提出了一种自适应ROI提取算法对光斑中心进行准确测量。首先对光斑图像进行结构相似度(SSIM)计算得到自适应ROI,然后将提取到的ROI进行类间方差最大化(Otsu)的图像分割得到光斑二值图,其次对光斑二值图进行圆拟合,最后得到光斑中心坐标。实验结果表明,在平均像素强度低于240时,该算法能较好适应光照影响且计算误差均在0.05%以内,具有较高的精度,能够适用于实际工况下微小位移的测量。     

三维激光切割光斑半径补偿技术的研究

分析了三维激光切割光斑半径补偿的原理,提出了一种基于激光光轴矢量的激光光斑半径补偿算法。对空间平面曲线依据平面光斑半径补偿原理进行补偿计算,对空间直线提出了基于激光光轴矢量的4种过渡方式及补偿原则,建立了准确的激光光斑补偿模型。     

一种敏捷舞台照明灯光斑切割成像系统

在摇头灯等舞台照明灯具中,光斑切割成像系统是一个必不可少的功能部件。针对目前对称式驱动切光片结构的缺点和专利保护,设计一种新的矢量运动方式切光成像系统,该系统由10个步进电机轴组成,可以自动调节光圈,每块切光片由两步进电机进行矢量控制,通过4块切光片运动达到切割任意形状光斑;系统结构轻巧灵活,通过计算同步控制可产生丰富光斑形状。对系统结构特点、电路参数计算、图案变化轨迹和同步运动控制等进行重点分析,并应用到多种电脑摇头灯产品中,取得较好效果。     

一种敏捷舞台照明灯光斑切割成像系统

在摇头灯等舞台照明灯具中，光斑切割成像系统是一个必不可少的功能部件。针对目前对称式驱动切光片结构的缺点和专利保护，设计一种新的矢量运动方式切光成像系统，该系统由10个步进电机轴组成，可以自动调节光圈，每块切光片由两步进电机进行矢量控制，通过4块切光片运动达到切割任意形状光斑；系统结构轻巧灵活，通过计算同步控制可产生丰富光斑形状。对系统结构特点、电路参数计算、图案变化轨迹和同步运动控制等进行重点分析，并应用到多种电脑摇头灯产品中，取得较好效果。     

曲面光斑面积变化模型及其对熔覆质量的影响

目的 建立一种计算曲面工件激光光斑面积变化的数学模型,研究光斑面积在多大范围内变化对熔覆质量的影响最小。方法 采用高斯曲率的倒数作为曲率球的半径,利用曲率球代替NURBS曲面微小单元,通过圆柱体与球体相贯的数学分析方法求取截交面积,进而推导出NURBS曲面光斑面积的数学模型,采用CATIA软件作对比,进行验证。结果 该数学模型得出的结果与CATIA计算的结果相对误差不超过0.2%,满足工程应用。对模型中影响光斑面积大小的三个因素（离焦量、光束姿态、曲率）进行分析表明,影响光斑面积大小的最主要因素是光束姿态。在此基础上,以Q235为母材,KF310粉末为熔覆材料,调整光束姿态分别以0?、10?、20?、30?、40?为入射角进行激光熔覆,测试和分析得出,在0?、10?、20?时,单道熔覆层宽度随空间夹角及光斑面积的增大而增大,熔覆高度随光斑面积增大而减小,熔覆层与基体之间存在亮白色界面,这是凝固初期界面处生长出的平面晶,说明形成了冶金结合。而30?、40?时的单道熔覆层宽度变化不明显,在熔覆道边缘出现粘粉现象,冶合质量不高。结论 光斑面积变化在增加8%的范围内可以保证激光熔覆沉积层的质量,通过该算法的应用可以满足激光再制造快速响应的要求。     

激光冲击及其对金属材料组织和性能的影响

激光冲击是一项用短脉冲（ns级）强激光辐照覆盖有吸收层和约束层的金属材料表面从而改善其性能的高新技术。其原理是,当激光冲击波诱导的应力峰值超过材料的动态屈服极限时,材料的表层就会发生形变等现象。激光冲击的效果与激光的能量、光斑直径、被冲击材料的原始状态等因素有关。激光冲击可在材料表面获得应变强化,从而提高材料的疲劳性能和抗应力腐蚀能力等,还可用于金属板的微成形制造。     

个性化钛合金假体的激光金属直接成形制造工艺

将激光金属直接成形技术应用于个性化钛合金假体的制造,能根据假体的三维模型直接制造出相应的零件,具有制造过程周期短和加工出的个性化假体力学性能好的优点。通过研究激光金属直接成形的曲率效应和倾斜角度对几何精度的影响,为激光金属直接成形的工艺模型设计准则提供参考,使假体成形件具有较高的精度。制造出的个性化假体的力学性能和化学成分经过检测,均符合假体的相关国家和医药行业标准,有两例个性化钛合金假体已经成功应用于临床并取得良好的效果。     

激光冲击参数对7050铝合金残余应力场的影响

采用仿真与试验结合的方法,研究了激光冲击参数(光斑直径、激光特性以及峰值压力)对7050合金残余应力场形成机制的影响。结果表明:平顶光加载ø2、ø3和ø4 mm光斑时,最优峰值压力为1500 MPa;高斯光加载时,ø2 mm光斑峰值压力优解为1500 MPa,ø3 mm光斑峰值压力优解为2000 MPa,ø4 mm光斑峰值压力优解为3000 MPa;当峰值压力为1500 MPa时,平顶光冲击后所得最大残余压应力较高斯光增加约10%;当峰值压力大于2000 MPa时,平顶光冲击后的最大残余压应力值受表面汇聚波影响数值较高斯光小。平顶光冲击时,峰值压力实际优解与理论优解保持一致,为1500 MPa;高斯光冲击时,峰值压力实际优解随光斑直径的增加逐渐增加;峰值压力超过2000 MPa后,残余压应力不再有显著增加,且残余应力洞等应力缺陷更容易出现。     

预处理工艺对SLM成型CoCr合金牙冠牙桥金瓷结合机制及性能的影响

为了探究打磨喷砂预处理SLM成型CoCr合金基底对修复体的金瓷结合的影响机制,进而为SLM成型具有良好力学性能的CoCr合金牙冠牙桥修复体提供参考。采用SLM优化工艺参数成型3组CoCr合金基底试样,分别进行不同的打磨、喷砂预处理以相互对照,之后以相同参数进行烤瓷烧结。采用三点弯曲试验、粗糙度测试、SEM及EDS等测试方法分析不同对照组试样;测试结果表明,经过打磨和喷砂预处理的a组试样的金瓷结合强度达到36.79±0.49MPa,明显高于不打磨而保留SLM成型特征表面b组试样,以及打磨处理而不喷砂的c组试样,三组试样的平均金瓷结合强度均高于ISO9693：1999标准规定的最小值25MPa。a、c组的金瓷结合效果优于b组,3组试样的金瓷结合界面均发生元素扩散,分析还发现3组金瓷剥落面的残留物及其剥落面元素分布有显著差异;最终结论为：打磨、喷砂组合预处理获得的一定粗糙度的基底表面可保证金瓷间强大的化学结合以及可观的机械结合,可以显著提高SLM成型金瓷修复体的性能。     

激光熔覆数值模拟过程中的热源模型

综述了几种可用于激光熔覆过程中温度场和应力场数值模拟的热源计算模型，并对其进行分析比较。指出采用有限元法，利用计算软件来实现熔覆过程中热源的添加是目前常用的优选方法。在此基础上考虑到粉末、基体、光源三者的相互作用提出了新的激光熔覆热源计算模型。关于激光熔覆热源模型的探讨为建立更加准确的激光熔覆计算模型，深入研究熔覆过程中的应力场与变形场提供帮助。     

激光熔覆数值模拟过程中的热源模型

综述了几种可用于激光熔覆过程中温度场和应力场数值模拟的热源计算模型,并对其进行分析比较.指出采用有限元法,利用计算软件来实现熔覆过程中热源的添加是目前常用的优选方法.在此基础上考虑到粉末、基体、光源三者的相互作用提出了新的激光熔覆热源计算模型.关于激光熔覆热源模型的探讨为建立更加准确的激光熔覆计算模型,深入研究熔覆过程中的应力场与变形场提供帮助.     

新型产品表面激光处理控制系统的设计与实现

对产品表面质量进行检测和控制是产品加工中的重要环节。提出一种新型的产品表面激光处理智能控制系统的软硬件设计方法,实现产品表面光斑的三维能量图的计算、显示和处理。实际应用表明,使用该系统能有效提高加工效率和产品质量。     

Determination of Strain Rate Sensitivity of Micro-struts Manufactured Using the Selective Laser Melting Method

Micro-lattice structures manufactured using the selective laser melting (SLM) process provides the opportunity to realize optimal cellular materials for impact energy absorption. In this paper, strain rate-dependent material properties are measured for stainless steel 316L SLM micro-lattice struts in the strain rate range of 10^?3 to 6000 s^?1. At high strain rates, a novel version of the split Hopkinson Bar has been developed. Strain rate-dependent materials data have been used in Cowper–Symonds material model, and the scope and limit of this model in the context of SLM struts have been discussed. Strain rate material data and the Cowper–Symonds model have been applied to the finite element analysis of a micro-lattice block subjected to drop weight impact loading. The model output has been compared to experimental results, and it has been shown that the increase in crush stress due to impact loading is mainly the result of strain rate material behavior. Hence, a systematic methodology has been developed to investigate the impact energy absorption of a micro-lattice structure manufactured using additive layer manufacture (SLM). This methodology can be extended to other micro-lattice materials and configurations, and to other impact conditions.     

Increase of process reliability in the micro-machining processes EDM-milling and laser ablation using on-machine sensors

In micro production micro electric discharge machining (μEDM) and laser ablation are two established manufacturing methods. Due to the thermal material removal mechanism there are some challenges to provide the needed process reliability. In both cases it is important to ensure a precise manufacturing process by the correct positioning of the tool, e.g. the laser spot, relative to the work piece and the measurement and elimination of geometrical deviations.Using the EDM-milling process to manufacture small cavities a deviation of the manufactured depth and a waviness of the surface may appear if the compensation of the tool wear does not work correctly. A confocal white-light sensor can be used to measure the surface of the machined cavity after the EDM process. An on-machine system provides the possibility to rework the work piece without unclamping it. Combining these two procedures in an automatic working quality loop the accuracy of the manufactured depth can be improved down to a maximum deviation of less than 2 μm. Regarding the laser ablation process using ultra short pulsed Nd:YAG lasers problems arise if the focal plane is not on the surface of the work piece. Due to the manufacturing in layers occurring deviations in the surface remain until the end of the machining process. In this work an acoustical sensor is used to provide a correctly adjusted focal plane at the beginning of the first manufacturing step. Acoustic emissions are detected during the ablation process. A signal analysis of the airborne sound spectrum emitted by the process enables specific conclusions about the focal position of the laser beam. Based on this correlation an acoustic focus positioning is built up and tested on a ceramic work piece. The focal plane can then be adjusted automatically before the ablation.