低功率脉冲激光-电弧复合热源高效焊接过程中的“匙孔”行为研究

激光-电弧复合热源焊接技术由于具有焊接熔深大、效率高、质量好等优点而受到广泛关注。采用低功率脉冲激光-钨极惰性气体保护(Tungsten inert gas,TIG)焊电弧复合热源技术进行镁合金板材的焊接,研究激光脉冲作用消失之后的等离子体行为和激光"匙孔"行为。在上述试验结果的指导下优化工艺参数,对比研究采用单独激光焊、TIG电弧焊和复合热源焊这三种方法实现镁合金板材对接焊相同效果时焊接效率的差异。研究结果表明,激光"匙孔"和"匙孔"等离子体的形成是实现复合热源高效焊接的前提条件,恰当的工艺参数可以使得激光"匙孔"维持稳定的开口状态,这种状态提高了电弧的稳定性和能量密度,延长了镁等离子体的恢复时间,因此能够提高复合热源的焊接效率。达到相同焊接效果时复合热源的焊接效率分别达到单独激光焊接效率的7.14倍和单独TIG电弧焊接效率的4.29倍。     

轮胎胎面参数在线检测系统研究及应用

为了提高汽车轮胎生产过程中对胎面尺寸的测量精度,针对移动中的橡胶胎面设计了一种测量轮胎胎面参数的在线检测系统。选用3D激光传感器,根据传感器获得的坐标数据绘出胎面横截面轮廓,基于B样条曲线拟合方法,通过特征点测量计算胎面横截面数据;选用CCD图像传感器,设置两端基准线,根据现场亮度采用可调光源控制器,并采用OSTU算法对图像进行二值化处理,基于像素数和实际的尺寸存在线性对应关系,可获得胎面长度。现场实验结果表明,该测量系统的横截面参数测量精度小于1 mm,长度测量精度小于2 mm,能够满足生产工艺的测量要求,可实现胎面参数的在线动态测量,该测量系统具有安装方便、运行稳定等特点。     

导轨摩擦对五轴机床精度误差的仿真分析

龙门五轴机床导轨的摩擦会影响进给和定位精度,导致不同步误差增大,影响工件的加工精度。以滑动导轨摩擦因数为变量采用Workbench对龙门五轴机床进行瞬态动力学仿真研究,分析干摩擦条件下摩擦对机床精度的影响,并通过试验台激光测量证实zig zag运动误差的存在。结果表明：导轨的摩擦因数变化会引起机床加工误差,随着摩擦因数的增大各方向误差几乎成倍地增大,摩擦因数在0~02范围内误差有规律地由大变小,但摩擦因数为03时,误差变化无规律可循;激光干涉仪实验测量结果表明,五轴机床运动时运动误差角度随路程增长而变化,说明X方向存在不同步误差,Y方向有左右摇摆误差等。     

双目视觉测量中等匹配点的光条中心提取

为了精确、快速提取激光条中心,使其提取结果更适用于工业现场特征尺寸的双目视觉测量,提出了一种等匹配点的激光条中心提取方法。利用灰度重心法粗提取出激光条中心点,计算灰度梯度方向,确定光条边界。接着,根据左右图像中激光条的粗提取结果确定基准光条,对另一幅图像中的对应光条进行插值。然后结合灰度梯度方向与插值结果对激光条进行重提取,得到等匹配点的亚像素中心坐标。最后,利用激光条中心点提取结果重建陶瓷平板、金属板表面及加工现场锻件表面的特征信息。实验结果表明,本文方法提取陶瓷板与金属板的激光条中心点的匹配率分别为99.887%与98.276%,宽度重建的相对误差分别为0.638%与0.488%,激光条中心提取结果能有效重建锻件表面的特征信息,满足工业现场对测量的精度、速度和鲁棒性要求。     

人眼安全的生物气溶胶短程遥测系统

建立了满足激光辐照人眼安全要求的便携式生物气溶胶短程遥测系统,用于实现有人员活动区域生物战剂气溶胶的实时预警监测。以高频调制的405nm半导体激光器为激发光源,200mm口径的卡塞格林望远系统为信号光收集系统,搭建了基于伪随机调制的便携型生物气溶胶激光雷达短程遥测系统。该系统具备平行偏振散射、垂直偏振散射光探测,以及450nm和530nm两个波段荧光探测等四个同步探测通道。以枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌和酵母菌为样本对该激光雷达系统进行了初步测试。外场试验表明,该生物气溶胶遥测系统的空间分辨率为1.5m,荧光通道的探测距离为100m;3种被测生物气溶胶种类识别的回代误报率分别为9%、11.5%和14.5%,交叉误报率为11.3%。该遥测系统的激光能量低于激光辐照人眼安全标准的要求,基本实现了生物气溶胶的甄别。     

大口径传输反射镜的研究进展

针对我国惯性约束聚变装置(ICF)对高性能传输反射镜元件的性能要求,探索了大口径传输反射镜制备涉及的关键技术与工艺。深入开展了K9玻璃坯片研制、光学冷加工、传输反射镜镀膜和激光预处理等方面的研究工作。提出了400mm口径K9反射类坯片精密退火工艺,形成了高精度平面加工技术路线;制备了低缺陷薄膜,并且建立了大口径光学元件预处理装置。最后,综述了大口径高性能传输反射镜研制方面的主要成果。研制的400mm口径传输反射镜在1053nm处以45°入射时,其表面粗糙度优于99.8%,面形PV值小于λ/3(λ=1 053nm),损伤阈值大于30J/cm2(5ns)。基于提出的技术研制的大口径传输反射镜已成功应用于我国神光系列高功率激光装置,有力支撑了我国大型激光装置的稳定运行。     

氧碘化学激光器腔镜表面缺陷的观察与分析

为了明确氧碘化学激光器腔镜损伤的原因,对腔镜表面的缺陷进行了研究。利用扫描探针显微镜观察了激光器腔镜表面缺陷,分析了腔镜表面微观形貌,讨论了常见缺陷的形状及成因。然后,建立了简化的带污染物腔镜的模型。利用COMSOL Multiphysics软件对环形光束辐照腔镜进行了仿真计算。最后,给出了缺陷大小、功率密度和腔镜表面温度的关系,分析了吸附层对腔镜熔融损伤的影响。计算结果表明:腔镜表面污染物大小不变时,激光辐照的功率密度越大,温度增长越快,薄膜表面越容易出现熔融损伤;腔镜表面污染物半径达到2.3mm时,腔镜薄膜即可出现熔融损伤。另外,吸附层吸收系数增加1%,腔镜最高温度增加约210K。本文所得结论可为分析腔镜损伤原因和制定腔镜更换依据提供参考。     

Laser brazing of a dissimilar joint of austenitic stainless steel and pure copper

In many industries, there are applications that require the joining of stainless steel and copper components; therefore, the welding of dissimilar stainless steel/copper joints is a common process. For this investigation, the optimal brazing conditions and suitable filler metals for laser brazing of stainless steel/copper lap joints were studied. Tensile shear force increases with increases in the laser spot diameter or in the laser irradiation angle, which is associated with increased bonding width; however, as bonding width approaches 2 mm, tensile shear force reaches a saturated value due to fracturing at the HAZ of the Cu base plate. In order to obtain joints with high tensile shear strength, laser brazing was optimized by using Cu–Si-based filler metal under the following conditions: laser power, 4 kW; spot diameter, 3 mm; laser irradiation angle, 80°; irradiation position shift, 0.6 mm; brazing speed, 0.30 m/min; and filler metal feed speed, 0.30 min. Concerning filler metals, it was found that the Ni–Cu type showed relatively large tensile shear force even at high welding speeds in comparison with those of the Cu–Si, Cu, Cu–Ni, Ni–Cu and Ni types, respectively.     

Development of gap sensing system for narrow gap laser welding

Narrow gap welding with an oscillation laser beam is one of the effective processes for thick plate welding. To put this welding process into practical manufacturing, a groove-sensing system using image processing for narrow gap welding with an oscillation laser beam is used. This developed system uses still images of the weld zone taken by a coaxial CMOS camera. It can recognize the position of the groove wall by analysing the brightness distribution in the still image. It can then control the oscillation width and the laser-irradiated area by calculating the groove width and the groove centre position. Some narrow gap welding experiments were performed to evaluate the performance of the developed system. The results revealed that the developed system is effective for narrow gap welding with an oscillation laser beam. Using this system, the narrow gap groove can be welded even if the groove width has changed during the welding process.     

石英玻璃飞秒激光微连接及其接头性能

飞秒激光的低热输入、极小热影响区的特点使其在微米尺度材料连接领域有明显的应用潜力。为研究飞秒激光进行玻璃连接的可行性及其接头性能,测定了其接头的拉剪强度并分析了接头断裂前后的形貌特征。证明了飞秒激光连接玻璃的可行性,并发现玻璃试样之间的间隙对飞溅有明显影响。拉剪试验测得的接头强度在6.4~40.4MPa之间。结果表明,在激光平均功率较大,焊缝间距较小的条件下,连接试样容易在母材中断裂,使得接头的强度相比于断裂在界面上的试样强度降低一半以上。