5083铝合金阳极氧化膜激光清洗工艺研究

采用纳秒脉冲光纤激光器对5083铝合金阳极氧化膜进行清洗,对清洗试样的表面形貌、表面粗糙度、元素组成和含量、清洗率及清洗机制等进行分析。研究表明,脉冲频率影响扫描振镜方向的光斑搭接率,激光行进速度影响清洗方向的光斑搭接率,在过高的激光能量下清除氧化膜时会造成基体二次氧化。工艺参数对表面粗糙度的影响规律不同,表面粗糙度随单脉冲能量的增加先增大后减小,随脉冲频率的增加出现两次先减小后增大,随激光行进速度的增加先增大后减小再增大。当单脉冲能量为100 mJ、脉冲频率为9.67 kHz、扫描振镜速度为4000 mm/s、激光行进速度为6.5 mm/s时,5.27μm厚的氧化膜几乎被清洗干净,表面粗糙度为Sa=0.608μm,优于机械打磨表面粗糙度（1.18μm）,清洗率达97.14%,与参数优化前相比清洗率提升了2.43%。激光清除5083铝合金氧化膜的机制为热烧蚀、弹性振动剥离和孔洞爆破。     

激光清洗研究综述(特邀)

激光清洗是通过把高亮度和方向性好的激光照射到物体待清洗的部位,使激光器发射的光束被污染层和/或基底吸收,通过光剥离、汽化等过程,克服污染物和基底之间的粘附力,使污染物离开物体表面,达到清洗目的,且不损伤物体本身的物理清洗技术。20世纪80年代以后,激光清洗技术得到了越来越多的关注。40年来,激光清洗作为一种新型高效的环保清洗技术,得到了飞速发展,在电子元器件清洗、文物保护和脱漆除锈等领域得到研究并获得了应用。2010年以后,对激光清洗研究进一步深入,在激光清洗的检测和智能控制方面取得较大成果,并且在激光清洗机理方面也取得了进展。中国科学家在这个过程中也做出了贡献。介绍了激光清洗原理、特点、源起,对40余年的激光清洗发展做了综述,并介绍了国内近年来激光清洗的研究动态。     

激光清洗监测技术研究进展(特邀)

激光清洗技术具有非接触、精度高、对基材损伤小、绿色环保等众多优点,在智能制造中发挥越来越重要的作用。随着激光清洗技术的发展,对激光清洗质量的快速检测及精准评价的需求越来越迫切。在激光清洗过程中,激光与待清洗层、基底发生作用,通过采集分析激光与物质相互作用过程中产生的光、声等信号和表面特性变化,可以实现对清洗过程和清洗效果的实时表征,完成对激光清洗的监控,目前逐渐被广泛地应用到自动化激光精密清洗过程中。文中分析和总结了声波监测法、光谱监测法和图像监测法等激光清洗监测技术的工作原理及研究进展,展望了激光清洗监测技术的未来发展趋势。     

激光清洗技术规模化应用发展现状(特邀)

随着我国工业不断地转型升级,对工业清洗的质量、效率、服务也提出了更高的要求,传统清洗方式因其高污染、高能耗等缺陷已无法满足工业领域的应用需要。而激光清洗作为一种绿色、环保、无损的新型清洗方式,迅速成为工业清洗领域的热点技术。文中梳理了三种典型的激光清洗方法,总结了激光清洗相关的机理。同时,阐述了面向航天航空、船舶建造、轨道交通等领域开展的激光清洗应用进展。根据近年来国内外院校和企业在激光清洗系统、设备方面的科技成果,提出国内激光清洗推广应用所面临的瓶颈,展望了激光清洗技术在未来的发展方向。     

玻璃表面微颗粒的激光清洗研究(特邀)

针对玻璃表面微颗粒的污染问题,文中研究了脉冲激光对颗粒污染物的清洗阈值和清洗效果。通过颗粒吸附和形变模型计算石英玻璃表面与颗粒间的吸附力,分析热应力与激光能量密度的关系。通过吸附力和热应力的对比分析得到颗粒污染物的清洗条件和理论阈值。实验对比石英玻璃表面颗粒的正面入射和反面入射的清洗效果,研究功率密度、扫描速度和清洗次数等参数对清洗率的影响。结果表明,大颗粒污染物的反面清洗可以完全去除,正面清洗小颗粒污染物的效果较好。单因素和三因素研究表明激光功率密度对清洗率的影响比扫描速度大,激光清洗次数对清洗率几乎没有影响。     

铝合金激光焊接焊丝熔化机制的实验研究

由于铝合金高的导热性和对CO2激光的高反射率,以及铝金属蒸汽低的电离能,铝合金的CO2激光焊接一方面要求很高的功率密度,另一方面通常须在富He气氛下才能顺利进行.与此同时,为了克服热裂纹等缺陷,铝合金的激光焊接一般需要使用填充材料. 本文研究利用二倍频YAG激光作为照明光源,采用高速摄像方法研究了铝合金CO2激光焊接时焊丝的熔化机制.系统的研究表明:根据焊丝的送进方式、焊丝相对于激光束的位置以及气氛的不同,焊丝的熔化机制主要有三种,即激光加热熔化,等离子体加热熔化和熔池加热熔化.在He气氛下,当焊丝由激光束前方送进时,焊丝主要通过激光加热熔化,焊丝的熔化过程是非连续的;当焊丝由激光束之后送进时,焊丝的熔化机制包括激光加热熔化和熔池加热熔化,焊丝熔化过程较从激光束前方送入时明显改善,有利于改善焊接过程的稳定性.在Ar气氛下,由于强烈的等离子体辐射,焊丝主要通过等离子体加热熔化.当焊丝由激光束前方送进时,焊接过程极不稳定,但是焊丝由激光束后方送进时,虽然等离子体的形态和大小在不断变化,但焊丝的熔化却非常连续稳定.在Ar气中渗入一定的He气后(富Ar气氛),等离子体得到了有效的控制,其形态和大小保持稳定,从而获得稳定的焊接过程.(OE21)     

激光清洗2A12铝合金复合漆层的技术研究

采用脉冲激光器对2A12铝合金基体表面涂覆的环氧树脂底漆与丙烯酸聚氨酯面漆进行激光清洗试验,针对激光清洗表面的形貌、粗糙度及元素含量进行分析。结果表明：在激光能量密度和激光扫描速度分别为4.45 J/cm²和8 mm/s时,能完全去除面漆且底漆保留完好,并获得了最接近底漆层原始厚度的残余漆层;在此激光能量密度下,当激光扫描速度为5.5 mm/s时,能完全去除复合漆层,且此时阳极氧化膜层的微观形貌完好,氧元素质量分数约为40%,清洗表面的粗糙度R_a=1.138μm。当参数组合为3.56 J/cm²和6 mm/s时,也能完全去除面漆且底漆保留较好;当激光能量密度为4 J/cm²和激光扫描速度为5 mm/s时,能完全去除复合漆层,此时阳极氧化膜表面上氧元素的质量分数约为34%。本研究证明了通过选择合适的激光工艺参数组合能够调控激光清洗质量,验证了激光分层清洗的可行性。     

激光焊接铝合金的研究

由于铝合金的反射率和热传导率很高,使其一度成为CO_2激光焊接的禁区。本实验在不采用焊料及任何化学表面处理的情况下,选用合适的激光参数和工艺技术,实现了3004号和6063号铝合金的激光焊接,并进行了金相分析。     

铝及铝合金激光焊接技术的研究现状

综棕了铝及铝合金焊接技术的工艺特性及其研究现状，并展望了该技术今后的发展前景。     

铝合金的激光焊接

综述了铝合金激光焊接中存在的诸如小孔的诱导和稳定,焊缝与母材的等强性、气孔等问题,指出了几种解决上述难题以获得良好焊接质量的方法。     

基于热烧蚀效应的激光清洗仿真模型研究(特邀)

为研究在基于热烧蚀效应的激光清洗中激光参数对清洗效果的影响,根据热烧蚀效应原理、傅里叶热传导方程以及能量守恒定理,使用有限元分析软件建立了热烧蚀动态能量守恒的二维激光清洗仿真模型。在该模型中使用了虚拟第三类边界条件,将薄层-基底系统中的激光烧蚀热功率密度与被烧蚀污渍层边界的法向移动速度进行关联,实现了污渍层烧蚀潜热消耗量与激光烧蚀能量之间的动态能量守恒,明确了质量损失与能量消耗的数学关系,使所建立的模型更加理论自恰和精确可靠。利用该模型理论分析了光斑吸收功率、光斑直径、扫描速度以及扫描能量密度对清洗效果的影响,结果表明：污渍平均残留厚度随光斑吸收功率和扫描能量密度增大而减小,且减小的速率会逐渐变慢,当激光功率过大时,基材会出现损伤;污渍平均残留厚度随光斑直径和扫描速度的增大而变大,但减小光斑直径和扫描速度会降低清洗效率。提出了根据污渍层物性参数与扫描能量密度的对应关系优化激光参数的方法,并对非平整表面污渍层进行了多次不间断扫描的仿真分析,得到了清洗效果随扫描次数的变化规律。该研究结果对激光清洗设备的方案设计、优化改进和使用选型具有一定的指导意义。     

可在线应用的大口径溶胶-凝胶膜光学元件激光清洗工艺研究(特邀)

在高功率激光装置中,光学元件表面的污染物会降低光束质量甚诱导光学元件损伤。针对装置中受污染的镀有SiO₂溶胶-凝胶增透膜的大口径真空隔离片(430 mm×430 mm),使用波长为355 nm的Nd:YAG脉冲激光器模拟在线激光清洗实验。实验中采用了单发次激光干式清洗与气流置换系统辅助的激光清洗系统,研究了关键特征参数对激光在线清洗效果的影响规律,获得了可用于激光在线清洗的工艺参数。光学元件的处理采用光学显微镜、暗场成像法表征以及图像处理软件分析。实验结果表明,激光在线清洗光学元件存在最佳工艺窗口。通过气流置换辅助的激光清洗方法后,相较于单纯的单发干式激光清洗,激光清洗能力有大幅提升。因此,气流置换系统辅助单发激光清洗能有效提高其清洗能力,为高功率激光装置中大口径光学元件表面污染物在线去除提供了一种有效手段。     

声光复合的激光清洗飞机蒙皮实时监测(特邀)

飞机蒙皮的老化油漆去除是飞机保养维修的重要步骤。较传统的化学清洗方法,采用激光进行清洗具有效率高,污染小等优势,但较高能量的激光存在过度清洗导致基底损伤的问题,所以对清洗过程的实时监控以便及时对激光器做出反馈非常重要。针对此问题提出了基于声光复合法的实时监测方式,在清洗过程中分别对光和声信号进行采集分析。其中对于光谱检测法,采用了激光诱导击穿光谱对不同漆层的差异元素的不同特征峰进行标定,实现不同漆层的反演;声信号检测法是通过对比分析激光烧蚀不同漆层所产生声信号的强度和频率,进行对应漆层的确定,再通过两种方法的结合对比反推回漆层的清洗情况与去除效果,研究表明声光复合法可以实现激光除漆过程的准确实时监控。     

基于COMSOL的激光清洗2219铝合金漆层工艺研究

利用COMSOL Multiphysics仿真软件,建立2219铝合金板表面环氧聚酰胺底漆有限元模型,并在其表面加载经典高斯脉冲热源模拟激光清洗过程。探究了清洗参数的变化对漆层温度场、不同漆层厚度清洗效果及烧蚀深度的影响,通过对仿真结果分析发现,当重复频率为25kHz,功率20W时,在不损伤铝合金基体的前提下,搭接率50和60均能够完全清除环氧聚酰胺底漆。使用型号CETC26thPEL脉冲光纤激光器对实物进行清洗,并利用超景深显微镜观察材料表面微观形貌,发现当能量密度为2294J/cm2时,清洗过程中会损伤铝合金基体,搭接率为70会使得材料表面的粗糙度增大影响涂装性能,研究结果为激光清洗高强度铝合金漆层提供一定的理论与实验基础。     

航空铝合金表面涂层无损激光清洗研究

激光清洗以绿色、安全、便于控制等优点,在航空航天、电子、交通等领域有着重要的应用价值。采用纳秒脉冲激光清洗航空2A12铝合金表面TB06-9涂层,研发了一种新型的两步法无损激光清洗工艺。运用扫描电子显微镜、能谱仪,超景深三维显微镜和万能电子实验机等分析激光清洗涂层。结果表明,第一步采用单次激光清洗,随激光功率的增加,试样表面涂层逐渐减少裸露出氧化层及基材。激光功率为40 W时氧化层保留完好,功率为45 W时氧化层开始出现损伤,随着功率的增加,损伤逐渐增多。最终确定第一步优化参数为激光的频率为20 kHz,功率为40 W,扫描速度为1040 mm/s,线间距为0.052 mm。第二步在第一步的基础上进行多次清洗,获得的优化参数为激光频率为1000 kHz,功率为80 W,扫描速度为690 mm/s,线间距为0.034 5 mm。两步法激光清洗试样的表面与原始试样表面形貌相似,表面显微硬度及抗拉强度基本保持一致,较好地保留了材料的原有力学性能。     

基于光学相位共轭的数字化波前整形技术（特邀）

光在生物组织中传播时,会被微观尺度上不均匀的组织随机散射,这种现象严重制约了光学技术在生物医学中的应用。波前整形技术将散射过程当成一个确定性的过程,通过测量散射效应造成的相位延迟并利用空间光调制器进行逐点补偿,可以实现散射光的操控与重新聚焦。在各类波前整形技术中,基于光学相位共轭的数字化波前整形技术具有可调控自由度高、系统响应速度快等优点,最适宜与生物医学应用相结合,如生物活体成像、操控、治疗等。文中将重点关注基于光学相位共轭的数字化波前整形技术的发展,探讨该技术在应用研发中面临的主要技术瓶颈和挑战,并概述其应用开展情况。