亚声速切向气流对激光辐照TA15钛合金热响应的影响

利用亚声速气流环境模拟系统, 开展了自然对流及马赫数为0.4和0.8切向气流条件下, 1 064 nm连续激光辐照TA15钛合金材料热响应实验研究, 得到了材料的温度历史曲线数据。通过分析实验结果表明: 在激光辐照材料未使得其表面发生熔化时, 切向气流对材料激光辐照过程中以冷却效应为主, 随着气流速度的增加, 冷却效果明显。同时切向气流影响着材料的温度分布, 沿气流流动方向, 气流对下游区域的冷却效果低于上游区域。     

气流环境下激光辐照金属能量耦合特性

在马赫数为0.5气流条件下,进行了激光辐照30CrMnSiA钢材料的温度测量实验。实验结果显示,材料的温升速率和上升最高温度在有气流环境下比无气流环境下明显下降。利用数值反演方法获得了气流条件下激光加载面样品材料实际吸收热流密度变化以及温度变化。与无气流条件下的数据对比可发现,相同温度对应的实际吸收热流密度在气流环境下大于无气流环境,该结果是由气流条件加速样品材料的氧化影响激光金属反射率所致。     

热分解气体对流传输对树脂基复合材料温度场的影响

用有限差分法对激光辐照下复合材料树脂基热解时的一维温度场模型进行数值求解,将数值模拟结果与相关文献中给出的实验结果进行对比.结果表明:考虑了对流传输效应的数值模拟结果比没有考虑对流传输效应的数值模拟结果与实验结果符合的更好,即热分解气体的对流传输对树脂基复合材料的温度场有较大的影响.因此,在不引入力学量的前提下,建立激光辐照下复合材料树脂基热解时的三维温度场模型时,需要考虑热分解气体的对流传输效应.     

YSZ全陶瓷涂层加固薄板在激光辐照下的热响应

实验与数值模拟手段相结合,研究了YSZ全陶瓷涂层加固钛合金薄板在976 nm连续波激光辐照下的热响应。比较了不同功率密度下的温度历史曲线和表面形态。考虑主要换热因素,建立了样品温度场模拟的数值模型,根据实验后YSZ涂层未辐照区与辐照区的反射率测量结果描述了辐照过程中耦合系数的变化。结果表明:YSZ全陶瓷涂层对近红外波段激光具有良好的反射特性,显著提高了基材的抗激光损伤能力;激光辐照过程中耦合系数的变化对温度场有重要影响,耦合系数的变化可能与表面的微量烧蚀过程密切相关。     

DPL中晶体散热效果的比较

采用有限元法,以光纤耦合LD端面泵浦Nd:YAG激光器为例,模拟了三种冷却方式下,激光晶体的温度分布;分析了不同冷却方式对晶体温度分布和端面形变的影响;计算了不同对流换热系数和冷却水温度对晶体温度的影响。结果表明：在晶体侧面水冷时,改变对流换热系数和液体温度只能改变晶体的整体温度,对温度分布的均匀性几乎没有影响;三种冷却方式中,泵浦端水冷情况下晶体温度最低,端面形变量最小。     

陶瓷涂层加固铝合金薄板的抗激光性能测试

针对铝合金基材设计了ZrO2陶瓷涂层,采用976 nm连续波激光对样品的抗激光性能进行了测试。基材厚度为2.5 mm,涂层厚度为0.3 mm,实验测试时样品前表面加载了0.3 Ma切向空气流。记录了辐照区域后表面测点的温度变化情况,测量了未辐照区与辐照区的反射率谱,并进行了XPS成分分析。结果表明:平均功率密度700 W/cm2的激光辐照60 s样品没有熔化;辐照区域颜色变白,对近红外光的反射率变大。颜色变白的原因可能是涂层表面沾染的含碳化合物在激光辐照过程中被热解或气化,这与XPS检测结果相一致。     

连续激光辐照三结GaAs太阳电池热应力场研究

为了研究1070nm光纤连续激光对三结GaAs太阳电池的热力作用, 使用COMSOL软件建立物理模型进行了数值仿真, 得到了不同激光功率密度激光作用下的热应力场。为了验证了热应力计算方法的正确性, 利用栅线投影法测量了功率为16.7W、辐照半径为1mm、辐照时间为10s的激光作用下电池表面的形变, 实验结果与模拟结果基本吻合。结果表明, 辐照半径为1.5cm、功率密度为16.7W/cm2的激光辐照20s时, 底电池中心温度刚好超过电池使用温度; 底电池中心等效应力为96.6MPa, 刚好超过底电池材料的屈服极限; 根据这一结果可推测电池失效与热应力导致的结构损伤有关。该数值模拟结果与实验结果为激光辐照太阳电池的热力效应研究提供了一定的理论依据。     

激光辐照锑化铟红外探测器的热应力损伤研究

通过介绍锑化铟红外探测器的基本构成及其材料热力学相关特征,阐述了激光辐照锑化铟红外探测器造成的损伤机理,采用有限元分析法,分析相关的辐照环境和条件并建立了一种三维仿真模型。仿真模拟了波长为10.6 μm的CO2激光辐照锑化铟红外探测器时各部分的温度变化及应力变化情况,通过数值分析比较了在光斑面积一定的情况下经过不同功率的激光辐照后锑化铟探测器表面径向及内部轴向发生的温度场变化及应力场变化;探测器表面应力值经过106 W/cm2的激光辐照后很快达到最高点,造成损伤,锑化铟与铟柱接触部分的应力值随光斑半径大小不同而有所变化。将锑化铟探测器材料的应力损伤阈值及变化趋势同已有实验数据进行对比,验证了模型的精确性。     

在亚音速气流作用下连续激光辐照铝合金的穿孔效应

不同气流速度作用下激光辐照靶材的穿孔效应不同。实验研究了亚音速气流（0~0.7 Ma）环境下,1 070 nm连续激光辐照7075铝合金的穿孔效应。对铝合金中心点温度历史、穿孔时间、穿孔孔径以及表面形貌变化进行了分析,结果表明:在相同气流速度下,随着入射激光功率密度的增加,铝合金表面温升速度加快且最终熔融层所达到的平衡温度增大;铝合金的穿孔时间呈指数减小;孔径增大速率呈指数减小。在相同激光功率密度下,随着气流速度的增加,铝合金穿孔时间总体呈先增大后减小至平稳之后再增大的趋势;熔融物移除速度和气流的冷却作用这两方面共同导致在0.1 Ma附近出现最长穿孔时间,在0.3 Ma附近出现最短穿孔时间,0.6 Ma的穿孔时间与0 Ma的穿孔时间大致相等在5.5 s左右;随着气流速度增大冷却效应增强,在0.7 Ma之后铝合金并未出现穿孔。对流冷却导致熔融物快速冷凝,被移除的熔融物集中在气流的下游区域。     

基于高温原位观测的高速风洞内强激光诱导的瞬态破坏行为研究

建立了一种适用于强激光辐照面的高温原位观测方法，并开展了高速风洞内的激光辐照实验，获得了典型金属材料与复合材料在超声速切向气流条件下的瞬态烧蚀与破坏行为；此外，基于Horn-Schunck光流法分析了各典型材料的烧蚀特征与质点的运动速度，基于粒子图像测速法并结合复合材料铺层结构特征获得了瞬时烧蚀速度。研究结果表明，各材料的动态烧蚀行为有很大差异：在切向气流作用下，熔融态钛合金的流动模式从燕尾状转变为羽翼状，而镍基高温合金则呈雨滴状流动。基于Kelvin-Helmholtz机制分析了切向气流作用下不同金属材料击穿时间存在差异的原因。超高温陶瓷复合材料的热化学烧蚀和机械剥蚀特征与编织结构类型密切相关，并且高激光功率密度条件下的抗激光烧蚀性能与碳纤维含量成正比。     

6061铝合金超声波辅助激光焊接变形控制研究

为了解决6061铝合金在激光焊接过程中出现的易变形、变形大的问题,采用施加超声波以辅助焊接的方法,以1mm厚的6061铝合金薄板为研究对象展开超声波辅助激光焊接试验,探究超声波对6061铝合金焊接变形的抑制作用;利用单因素试验方法分析了超声波功率对焊接变形的影响规律,设计包括超声波功率、激光功率、焊接速率、离焦量、保护气流量在内的五因素五水平正交试验,分析了超声波功率以及常规焊接参量分别对焊接变形的影响程度,并获得了能够得到最小变形的工艺参量组合。结果表明,焊接变形会随着超声波功率的增加而减小,超声波功率800W时较无超声情况下试件的挠曲变形及角变形分别减小了51.27%和51.46%;同时,当激光功率为1000W、焊接速率为5m/min、离焦量为+1mm、保护气流量为15L/min、超声波功率为800W时, 可以获得变形最小的试件,所得到的试件挠曲变形量为0.42mm,角变形量为0.26mm。此研究为超声波辅助焊接在控制薄板焊接变形方面的应用提供了一定的工艺和理论参考。     

激光预热/流体冷却辅助激光金属沉积AlSi10Mg成形

铝合金导热率高、激光吸收率低、热累积效应显著,难以稳定形成激光金属沉积（LMD）。为实现自动精确预热、消除热累积、分析预热影响并提升AlSi10Mg铝合金LMD成形能力,采用“光内送粉”Ar送气保护式激光金属沉积技术,设计激光预热与流体冷却温控系统并建立预热与冷却温控模型,进行AlSi10Mg 铝合金LMD成形实验研究,系统分析预热对激光吸收率、表面质量、截面形貌、温度场和材料组织性能的影响。结果表明:激光预热与流体冷却温控系统可实现精确预热并消除热累积,获得表面粗糙度Ra为2.6 μm的单熔道,实现AlSi10Mg搭接、块体和薄壁的高精高效稳定LMD成形。预热提高激光吸收率,使熔道扁平化,增大了晶粒尺寸。该辅助系统和方法能够有效解决铝合金LMD成形稳定性差的难题,为成形质量控制与熔池温控提供了新思路新工艺。     

激光功率密度对板料激光冲击成形性能的影响

为了研究激光功率密度对铝合金板激光冲击成形性能的影响,采用数值仿真的方法,选用不同激光功率密度对铝合金板进行激光冲击成形数值模拟,获得不同激光功率密度与冲击次数下的板料成形极限,并对不同激光功率密度冲击下板料的成形深度、厚度及应力分布进行了分析。结果表明,板料在中心处容易发生破裂;板料的成形极限与激光功率密度大小成反比,而与激光冲击次数成正比;通过合理选择激光功率密度和冲击次数可提高铝合金板的成形性能。     

激光红外热成像铝合金表面裂纹检测表面处理的研究

通过搭建激光红外热成像检测平台,对已制备的铝合金光滑表面及表面处理后裂纹缺陷试样进行检测,对裂纹处的红外热图和温度数据进行分析,并且为了突出表面处理检测效果,用差动式检测方法对比在不同功率下表面处理前后温差变化。实验结果表明,随着功率的增大,裂纹缺陷表面处理前后的温差都存在温差增大的变化,但是表面处理后裂纹缺陷温差变化更加明显。相同功率条件下,裂纹缺陷表面处理后温差幅度远大于表面处理前的温差幅度。可见对激光红外热成像铝合金表面裂纹检测进行表面处理,明显提高其热吸收率,而且相较于表面处理前,经过表面处理后,所需更小的功率,就能取得更大温差,检测效果更好,可检测性更强。     

激光弯曲成形温度场的有限元数值模拟

激光成形技术是以激光为热源加热金属板料,依靠内应力使板料弯曲成形。研究激光成形过程中弯曲角与各影响参数之间的关系,了解板料内部温度场的分布规律是尤为重要的。本文应用有限元方法对不同热源形式、激光参数、板料尺寸及冷却条件下的三维瞬态温度场进行了数值模拟,分析了各因素对激光成形温度场的影响特性,为进一步的应力应变分析打下基础。     

用于近红外单光子探测器的均温板性能研究

近红外单光子探测器是量子保密通信的重要组成部分,降低其工作温度是提高探测效率的关键。文章讨论了铝合金散热器和均温板的温差特性,研究了其启动速度随热流密度变化的关系,分析了热流密度对散热器件热阻值的影响,并搭建系统进行了实验验证。结果表明:均温板散热性能优于铝合金散热器,温差能控制在2℃以内,且均温板的启动速度更快。另外,散热器尺寸对散热性能有着很大的影响,加载相同热流密度时大尺寸的均温板能耗散更多热量。因此,采用较大尺寸的均温板将有利于提升探测器的探测效率。     

基于去除熔化物形态分析的铝合金薄板激光切割试验研究

为提高铝合金薄板激光切割质量,对切割去除熔化物进行了收集、观察及测量研究。在Nd:YAG脉冲激光切割模式下,采用不同气熔比0.1898,0.2798,0.3708和0.6519,对0.85mm厚的1000系铝合金薄板进行切割试验。试验通过超景深三维显微镜对收集的去除熔化物形状和尺寸进行观测研究。结果表明,去除熔化物颗粒由球形颗粒和蝌蚪形颗粒两种颗粒组成,其中球形颗粒平均尺寸在71～123μm之间;高气熔比切割去除熔化物主要呈球形,颗粒尺寸较小,切割质量较好;低气熔比下熔化物主要是蝌蚪形,其中呈现的球形颗粒尺寸较大,切割质量较差。试验最终在辅助气压0.6MPa高气熔比0.6519下获得了较高质量的切口。研究结果深化了铝合金激光切割的机理认识,有效提高了铝合金薄板的激光切割质量。     

激光冲击波在铝合金薄板中传播特性研究

为了研究激光冲击波在铝合金薄板中的传播特性,采用数值仿真的方法,分析了不同节点路径下,冲击波在3003铝合金薄板中的传播特性。研究结果表明,激光加载初期,板料表面光斑边缘位置处应力最大,而板料表面中心区域仅为较小的波动,1000 ns后,表面波传播至板料上的凹模口对应位置,同时中心位置区域应力增大至200 MPa,塑性变形加大,板料变形不均匀,易出现减薄失效问题;沿激光冲击方向,经历60 ns压力波传播至板料自由面,并回传拉伸波,在102 ns左右,拉应力达到最大值1782 MPa,板料易出现层裂失效问题。因此针对激光冲击波在铝合金薄板中传播特性的研究对提高铝合金薄板激光冲击成形性能具有重要的意义。