关键词： 激光加工   多光谱测温   数据降维   深度学习   有限元模型  

摘要： 激光加工技术以其高精度、高效性以及非接触式加工的优势,逐渐成为切割、焊接和雕刻等加工工艺的首选技术。激光与材料相互作用产生的温度场会直接影响着材料性能和加工质量。激光加工中高温温度的检测对材料加工过程控制及产品质量保证具有重要意义。现有测温方法在测温精度和环境适用等方面存在局限性,如接触式测温不适用于高温环境的温度检测、非接触式测温的精度不高,不能很好地适用于激光加工场景。本文将多光谱辐射反演测温和深度学习技术结合,研究辅以有限元仿真,建立激光辐照区域的辐射亮度反演温度的模型,提出多光谱反演测温的新方法,提高了非接触测量高温的精度。文中首先利用激光辐照区域的高光谱图像获取高维辐射亮度数据集,再针对实时测温要求实施降维处理得到低维辐射亮度数据集,结合高维及低维数据集开展的反演测温实验表明文中提出的反演测温方法可利用较少波段图像获取准确的温度测量结果,具体工作如下: (1)激光辐照的有限元温度场建模仿真。在理论研究的基础上,通过COMSOL Multiphysics有限元分析软件,建立了激光辐照的温度场模型,模拟激光辐照区域温度场的分布情况。在同一工况下有限元的温度梯度分布与实验中的辐射亮度梯度分布具有相似的规律。结合理论分析,验证了辐射亮度强弱分布与温度场之间的相关性,表明选取辐射亮度作为深度学习反演的特征输入是可行的。 (2)多光谱辐射亮度高维与低维数据集构建。采用具有164个波段的高光谱相机采集光谱图像,以此构建高维数据集。针对数据集的维度过高、设备难以实时处理的问题,本文采用三种特征波段选择方法对原始数据集进行降维,然后采用信息熵和标准差作为评估指标,实验结果表明最佳邻域重构法选出的特征波段具有最大的辐射亮度信息量。研究以此构建降维处理后的数据集,从而为多光谱实时测温设备的特征波段选择提供了研究基础。 (3)基于深度学习技术的温度反演方法研究。本文提出的SA-LSTM模型优于传统的BP神经网络和LSTM算法的预测精度。SA-LSTM模型的测温绝对误差为3 K—8 K,相对误差在0.3%—0.9%,算法accuracy较于另外两个算法平均提升了2.14%,彰显了其在温度反演上的稳定性和鲁棒性。深入比较两个数据集的温度反演结果,发现降维后的数据集在深度学习温度反演的精度上仅略低于高维数据集(绝对误差平均增高1 K—3 K,相对误差平均增高0.22%,算法的accuracy平均降低1.3%),但其测温精度仍优于传统的红外测温方法,证明了文中方法可以满足实现多光谱实时测温的实际需求。

关键词： 飞秒激光打孔   Inconel718   液体辅助   磁场辅助   液体磁场辅助   微孔质量  

摘要： 近年来我国大力发展航空领域,航空发动机的研发和加工制造是制约我国航空领域发展的主要原因,也是我国的一项“卡脖子”技术。航空发动机涡轮叶片是发动机的核心部件,工作在高温高压的恶劣环境下,其也是衡量航空发动机先进程度的重要指标。经过研究,在涡轮叶片上布置大量的微细气膜孔有利于涡轮叶片散热,可以增加涡轮叶片的耐久性和工作稳定性,提高航空发动机的整体性能。激光加工作为一种新型的加工制造技术,具有高精度、高效率、无污染及无刀具损耗等优势,已经成为微孔加工领域的首选技术。但激光加工容易产生重铸层、微裂纹等热缺陷,加工过程中产生的等离子体还会对激光的传输产生影响。因此减小激光加工的热缺陷,提高激光加工微孔质量成为了研究热点。本文以涡轮叶片常用材料Inconel718高温合金为研究对象,开展液体/磁场辅助飞秒激光加工微孔的研究。 首先,对加工方式和磁场辅助下不同激光参数（激光功率、重复频率、扫描速度和扫描次数）进行了研究。在同心圆轴向进给的加工路径中由内到外的扫描方式加工微孔的质量较高。增加激光功率、重复频率和扫描次数可以增加进出口孔径和圆度、减小锥度,降低扫描速度可以增加进出口孔径和圆度、减小锥度。在激光功率为36W、重复频率为200kHz、扫描速度为200mm/s、扫描次数为100次时,可以在保证加工质量的同时,还有不错的加工效率。在不同的参数下增加磁场辅助均表现为减小入口直径和锥度,增加出口直径。相同的工艺参数下孔径越大,微孔的几何精度越高,磁场辅助的效果越明显。 其次,选出了液体辅助时选用逐圈逐层的加工路径,液层高度为0mm,筛选出2mol/L HCL和4mol/L NaNO3混合溶液为辅助化学液。最后,结合液体辅助技术和磁场辅助技术,提出了液体磁场复合辅助的方法。实验结果表明,复合辅助比单一辅助制孔效率与质量都得到提高。液体磁场复合辅助中化学液磁场复合辅助加工的孔质量最高,锥度最小、内壁粗糙度最小、重铸层和氧化程度最低。与无辅助的情况下相比,锥度减小了67%,孔内壁粗糙度减小了91%。横向稳态磁场和液体介质都可以提高微孔质量和加工效率。在磁场辅助下,增强了等离子体中带电粒子的运动,降低了等离子体的密度,减小了等离子体对激光的屏蔽和增加了等离子体对孔壁的冲击作用。液体吸收热量后内部产生气泡,液体内部气泡向上运动的同时会带动途径的液体向上运动,而且液体环境会增加等离子体的反冲压力,液体中的两种作用都增强了对孔内壁的冲击作用,提高材料的烧蚀率,化学液辅助下,化学液还可以和烧蚀材料发生化学反应,进一步提升加工效率。在0-200 mT磁场强度变化范围内,不同的加工介质均表现为,磁场强度越高,磁场辅助效果越好。 本文系统的研究了液体/磁场辅助飞秒激光加工Inconel718高温合金微孔的工艺及其机理,证实了液体/磁场辅助可以改善微孔质量的有效性,为相关领域的技术应用和工业生产提供了重要的实践和理论支撑。

关键词： 硅橡胶   Fe3O4磁性颗粒   模板复刻   激光加工   流体操控  

摘要： 设计功能表面并驱动微纳米结构表面功能的转换,对于在微电子、生物医药及柔性微机器人等领域实现物体的定向输运具有广泛的应用前景。然而,当前大多数的界面操控方案都受限于操控维度、运输距离短以及对梯度结构的强依赖性,这些因素限制了其在多种不同领域的应用。磁场由于具有高可控性、良好的生物相容性和瞬时响应等吸引人的优点,被认为是最有前途的微流体驱动策略之一。本文提出了一种基于磁场驱动的磁柔弹性微结构及其制备方法,能够对微流体进行快速定向运输以及对微小液滴进行实时空间转运,且能较好控制转运物质的输运方向及速度。主要研究内容包括: （1）建立基于磁场驱动的磁柔弹性微结构数学模型并进行了理论分析。探究磁场强度对作用在磁柔弹性微结构上的磁场力矩、弹性力矩大小的影响,构建磁偶极子磁力学模型,分析磁场作用对磁柔弹性微结构弯曲角度的影响,并确定主要影响参数。 （2）基于麦克斯韦理论,建立磁柔弹性微结构的分析模型,揭示磁场作用下磁柔弹性体的形变机理。通过COMSOL Multiphysics软件数值模拟分析圆柱形永磁体在空间的磁场分布,以及磁场域移动距离对磁柔弹性体表面应力大小及弹性变形大小的影响,揭示圆柱形永磁体磁场在二维和三维空间内的分布情况,探究磁场域距离磁柔弹性体不同距离时,磁柔弹性体受到的磁力大小以及表面应力大小和弹性位移大小的变化过程。 （3）研究磁柔弹性微结构的制备工艺对磁控性能及润湿性能的影响。通过磁柔弹性微结构的制备及表面润湿性能的激光改性,探究制备的不同几何参数,如Fe3O4磁性颗粒与硅橡胶的质量比例大小、磁柔弹性体的几何尺寸参数对磁控性能的影响规律;研究磁柔弹性体表面结构对液体润湿性能的影响,分析磁柔弹性体表面结构润湿行为及其润湿影响机理,探究磁柔弹性体表面紫外激光改性润湿性的工艺参数（扫描速度、扫描次数和扫描间距）对磁柔弹性体表面液体润湿性能的影响,最终确定最优制备参数。 （4）磁柔弹性微结构对微流体定向运输及实时空间转运的磁控性能测试及评价。通过磁场和表面润湿性的控制,对不同条件及不同场合下的微流体进行操控性能测试,设计的磁柔弹性开关可对微液滴在二维、三维进行实时定向转运,设计的磁柔弹性夹爪结构在液/空环境下实现了对液滴进行操控、混合并抓取,此外设计了仿心脏瓣膜的磁柔弹性流体控制器,实现了对微流体流率的远端无接触控制等。

关键词： 硬质合金   微织构   流体动压润滑   飞秒激光   石墨烯   协同减摩  

摘要： 为改善切削刀具的摩擦磨损状态、提升切削性能、减少黏结现象及抑制刀具的快速磨损,本文以YG6硬质合金为研究对象,结合了表面织构化技术与固体润滑方法,对硬质合金表面减摩抗磨性能进行了深入研究。 首先,本文构建了正方形织构和工字形、X字形、H字形三种具有不同沟槽角度的复合型微织构,基于流体动压润滑原理,利用仿真软件对所设计织构的形貌、深度及排布方式进行模拟,通过分析织构的流体动压润滑压力分布状态,获取了最佳的织构形貌及几何参数,为微织构制备与摩擦试验提供依据。仿真结果表明:与无织构光滑面相比,微织构的存在可以产生流体动压润滑效应,提高表面承载力;当织构形貌为X字形、面织构深度为7.5μm、排布方式为平行排列时,具有最佳的流体动压润滑效应。 然后,使用了飞秒激光加工贴有聚酰亚胺膜的硬质合金表面,通过改变激光功率、扫描速度、重复频率,研究了不同激光加工参数对线性沟槽微织构形貌质量的影响,得到了最佳的激光加工参数。当激光功率为600m W、扫描速度为5mm/s和重复频率为10k Hz时,不仅能有效提高加工效率,而且获得较好的加工沟槽深度、底面与侧面平整度。 其次,在油润滑条件下,剖析了织构形貌、几何参数及排布方式对材料表面摩擦性能的影响,结果表明:平行排布且织构深度为7.5μm的X字形微织构具有最小摩擦系数与磨损量,其减摩效果最佳,摩擦系数为0.148,相比于无织构表面,最大降低了26%,该结果验证了仿真模拟的准确可靠性。 最后,探究了0.5wt.%、1wt.%、1.5wt.%和2wt.%这四种不同石墨烯浓度协同微织构的减摩效应。研究表明:在石墨烯混合油润滑下,其摩擦系数与磨损量相比于油润滑条件下明显减小,且随着石墨烯浓度的增加,摩擦系数与磨损量持续降低。当石墨烯浓度为0.5wt.%时,其结论趋势与油润滑相同,即X字形摩擦系数与磨损量最小,摩擦系数为0.133,此时石墨烯作用较小,织构形貌减摩润滑占主导作用;而石墨烯浓度大于0.5wt.%时,此时摩擦系数持续降低,磨损量也相应减少,织构不再起主要作用,石墨烯的润滑效果起主导效应。当石墨烯浓度到达2wt.%时,摩擦系数最低最小可达0.08。 图[49]表[10]参[106]

关键词： 微结构制备   纳秒激光   杂散光抑制   激光材料加工  

摘要： 光学技术的快速发展对探测系统提出了更高的要求,为了提高光学系统对弱小目标的探测能力,需要减小到达成像面的杂散光强度。针对轴外杂散光对光学系统的干扰,通常使用遮光罩和发黑涂层的方式抑制杂散光。但是,航天光机载荷质量和体积存在限制,且发黑涂层和植绒等方式在极端环境下会产生脱落,污染光学系统内部结构。激光加工陷光结构通过在表面制备微米、纳米尺度的结构提高材料表面吸收率方式抑制杂散光。该方法具有稳定、杂散光抑制性能强等优势。但是,陷光结构对于小角度入射的杂散光抑制能力有限,且在中波红外波长范围抑制性能下降。针对上述问题,本文研究内容如下: （1）针对微结构受深径比限制吸光能力有限的问题,改换思路,认为只要光不再向传感器端传输就能够有效抑制杂散光。为此,提出了一种新型的非对称微结构,该微结构改“堵”为“疏”,采用特殊设计的前后微表面将入射的杂散光沿原路返回,防止外部杂散光进入光学系统成像面。 （2）常规激光加工平台无法实现非对称微结构的制备,提出激光倾斜加工的方式,搭建了新型的离焦补偿高速激光加工平台,以实现对非对称微结构的激光高速加工制备。研究了不同加工参数对微结构形貌的影响,分析扫描速率、扫描次数、倾斜角度等参数对形貌的影响,得到合适的加工参数范围,随后进行进一步的加工试验,最终得到加工参数范围内相对较优的加工参数,并使用该加工参数制备了样品。 （3）为评估微结构样品的杂散光抑制性能,在可见条件下进行了反射特性测试,验证了微结构样品可见光下反射特性,模拟轴外杂散光经过光学系统对成像面造成干扰,进行了仿真综合测试试验,离轴入射角为15°时,微结构表面等效点源透过率为7.9×10-5,微结构表面杂散光抑制性能相比于阳极氧化表面提升了10倍。中波红外条件下进行了反射率测试,测得入射角为15°时,微结构表面的反射率为15.3%。中波红外杂散光侵扰试验中,当杂散光位于视场边缘时,微结构表面系统点源透过率为7.7%,微结构表面中波红外条件下轴外杂散光综合抑制性能优于阳极氧化表面。在红外相机内部加装微结构样品进行了整机测试,测得视场边缘的轴外杂散光在视场边缘时,加装微结构样品的系统杂散光抑制性能相比于相同尺寸消光螺纹遮光罩提升了5倍。 （4）提出使用表面化学修饰发黑工艺,改善制备的微结构形貌,提升其杂散光抑制性能。研究了样品浸入发黑剂反应时间对微结构表面形貌的影响,发现部分样品表面反射面夹角增加,并且随着微结构边缘阳极氧化层与发黑剂反应与基底分离,微结构深度会迅速减少,随着扫描间隔减少,阳极氧化层从基底分离所需时间会减少。随后使用表面化学修饰制备了样品进行了仿真综合测试,对比阳极氧化表面和使用激光加工制备的微结构品表面,表面化学修饰能够去除微结构边缘熔凝堆积和阳极氧化层,在性能测试中,表面化学修饰后微结构样品在离轴入射角为45°时,杂散光抑制性能得到了提升,后续调整加工参数,减小间距,能够制备得到性能更为优异的非对称微结构样品。

关键词： 一体机   激光加工   激光切割   激光打标  

摘要： 基于对占地面积小、加工功能多的激光加工市场的需要,本文研制了一台集激光切割和激光打标一体化设备（后续以“一体机”来指该类产品）,实现了对非金属材料方便快捷打标加工的同时,提高了切割幅面和端面质量。本文研制的CO2激光切割、打标一体化应用样机从激光切割和激光打标两种设备的结构和原理上分析,提出了一种新型的一体机设计方案。通过对激光打标光束的控制,以锁定振镜光束加装双轴差补运动的方式实现激光切割加工。一体机的设计包括光学系统、电气控制系统和机械系统三个模块,通过对各模块的分析和设计,最终完成整机的搭建和测试。 首先,介绍目前振镜扫描设备和激光切割设备的现状,分析激光与材料相互作用机理以及影响激光加工质量的因素,为后续系统设计、器件选择以及一体机切割和打标加工实验提供理论支持。 然后,设计和搭建光学系统、电气控制系统和机械系统结构,并对系统之间进行连接调试。光学系统结构根据光学系统结构组成和光束传播原理,选择光斑直径2mm、平均功率55 W的美国相干C-55射频CO2激光器;BS10.6（基片材料）T>98%@10.6μm,R>80@650 nm的合束镜;4倍放大的扩束镜;70×70 mm打标范围的场镜;870×230 mm尺寸的欧标铝板光具座共同组成一体机光学系统结构。电气系统以睿达科技RDC644XG-A切割控制板卡和金橙子LMC2010打标控制板卡为计算机控制核心,结合绘制出主电路接线图、继电时序控制图、前后面板电气控制图,实现对直流稳压电源、继电器、驱动器等器件进行供电、控制,通过电控箱及前后面板上的7个开关和12个接口实现对一体机加工的操作,保证整机安全稳定的运作。一体机整体框架的组装,使用Solidworks3D模型绘制软件进行设计,选用合适的材料安装一体机的框架结构,根据设计指标加装升降平台和运动平台。 最终,进行一体机输出功率特性测试实验和加工胶合板材料的切割和打标实验。实验验证出,一体机最大输出功率在48.7 W,随着设定功率比例的增加,实际输出功率也在不断增大,并在设定功率比例55%时输出功率增加剧烈。在对胶合板材料进行切割实验时,切割速度过快和设定功率比例过小会出现难以完成切割加工或切缝出存在毛刺等现象,切割速度过慢和设定功率比例过大会出现切缝碳化、切缝过大、垂直的变差等现象,通过不断测试,设定功率参数在70-90%、切割速度在40-60 mm/s,能够加工出0.2 mm线宽的切缝。对打标实验进行不同材料的加工,材料表面加工线条质量也能达到不错的打标效果。

关键词： 压电雾化   电解抛光   电镀镍层   激光加工   锥孔参数调节  

摘要： 压电网孔式雾化器由于雾化过程可控、雾化液滴分布均匀、结构简单而广泛应用在航空、医疗、打印等多种领域。随着人们对提升雾化量和降低粒径尺寸的需要不断提高,现研究者多从网孔式雾化器机械结构的改进和振动的优化等方面进行研究。然而雾化片作为雾化器核心器件,其上的微锥孔群更是产生动锥角效应进而实现雾化的核心位置,锥孔表面质量对雾化效果的影响却没有被深入研究过。 为消除激光加工导致锥孔表面凹凸不平的毛刺对雾化产生的不良影响,本研究将以网孔式雾化片上的锥孔群作为研究对象。先建立雾化量与锥角的理想模型,再提出电解抛光工艺抛光处理金属片。进而,通过雾化量实验来研究雾化量与锥角的关系及毛刺高度的影响,并修正理论模型。最后通过电镀工艺调节锥孔几何参数以提升雾化器的雾化效果。 具体研究内容如下: (1)阐述了雾化器的结构和参数,介绍了金属片打孔的方法原理,考虑金属片上的锥孔在激光加工而成时会在锥孔附近形成凹凸不平的毛刺,因此提出不锈钢表面整平工艺的分类,进而提出一种最适用于改善金属片锥孔的方法——电化学法。 (2)对提升锥孔性能工艺与理论进行了分析。首先,对压电雾化理论进行了分析,包括压电效应和金属片锥孔变形及雾化原理。其次,对电化学工艺进行阐明,包括电解抛光工艺和电镀工艺。其中,电解抛光工艺包括电解抛光基本原理、电解液的组成、电解抛光实验装置、电解抛光优势和注意事项;电镀工艺包括电镀基本原理、电镀液的组成、电镀液组成成分对镀层性能的影响和电镀镍层实验装置。最后,考虑不同的电解抛光实验条件会得出不同的锥角,推导雾化量与锥角的理论模型。 (3)对雾化片雾化性能进行相关实验研究。首先,针对激光加工工艺导致金属片锥孔附近产生毛刺的问题,提出电解抛光工艺去除毛刺以提高雾化器的雾化效果,包括进行了电解抛光前的除油处理,介绍了电解抛光原理以及电解液的组成成分,设计了电解抛光实验装置系统和实验方案。其次,为验证电解抛光处理对锥孔毛刺去除的有效性,对锥孔进行超景深显微镜测量实验。实验表明,随着抛光时间的增加,锥孔的毛刺高度随之减小,且毛刺高度的离散性越来越小。最后,为验证电解抛光处理金属片可以提升雾化器的雾化效果,进行雾化量实验。实验表明,当锥角为45.64°(抛光时间为5min)时,雾化量达到最大值4.531 ml/min,增大了 2.54倍。 (4)针对电解抛光处理导致锥孔直径变大,锥孔几何参数发生了变化的问题,提出对电解抛光处理后的金属片再进行电镀工艺以调节锥角参数,通过超景深显微镜测量不同电镀时间处理后的金属片锥孔直径和毛刺高度。实验表明,锥孔直径和毛刺高度会随着电镀时间的增加而减小,验证了电镀处理调节锥孔参数和完善锥孔表面质量的有效性。最后通过雾化量实验来获得雾化量与电镀时间的关系,实验表明,在电镀时间为4 min时,锥角的参数最接近初始的理想值,雾化器的雾化量达到最大值4.902 ml/min。

关键词： 激光加工   激光诱导石墨烯   柔性传感器   可穿戴设备   人机交互  

摘要： 可穿戴设备是一种集传感器、计算能力和通信功能的智能可穿戴设备,可以穿戴在人体上,如衣服、眼睛、手套等位置,实时监测人体数据。柔性传感器是可穿戴设备的核心组件。近年来,激光诱导石墨烯(LIG)由于其优异的性能,其在柔性传感器方面的应用研究备受关注。当激光在一定能量下照射聚酰亚胺(PI)薄膜,可以将PI薄膜成功转化成石墨烯,由此制备的石墨烯具有一步制备、性能稳定等优点。因此本文研究了在PI薄膜上进行激光诱导制备LIG,通过对激光工艺参数的优化,以最优激光参数制备柔性传感器并检测其性能,并根据此柔性传感器制备了柔性可穿戴传感手套,对基于LIG柔性传感器在人机交互方向的应用进行了探索。本文主要研究内容如下: (1)研究了PI薄膜在激光束照射下转化成石墨烯的原理,通过对参考文献中在PI薄膜上制备LIG的激光能量密度进行了研究,选择出适合用于进行激光诱导的激光功率。并研究了LIG制备的工艺流程。最后对制备的LIG的表面形貌和物理化学性能进行了表征。 (2)采用单因素实验法分别对激光参数:激光功率、扫描速度、加工数目和扫描间隔进行了研究。通过对不同参数下制备的LIG的SEM形貌、拉曼光谱和方阻进行了研究,优化了制备LIG的激光参数。 (3)提出了一种一步制备柔性传感器的制备方法,将PI薄膜粘贴在载玻片表面,使用355nm激光器在PI薄膜表面进行激光扫描,得到了具有图案化结构的柔性传感器,在其电极处用导电银漆将铜箔片与LIG电极进行固化,并将其放入模具中使用硅橡胶进行封装,经裁剪得到了基于LIG的柔性传感器,对柔性传感器在拉伸和弯曲下的传感性能进行了检测。 (4)基于LIG的柔性传感器设计了一种柔性可穿戴手套,该柔性可穿戴手套集成了信号采集电路和Leonardo单片机模块,可以实时检测手指运动状态,并通过单片机内置的USB模块将单片机处理后的数据传输至计算机,以实现人与计算机的交互。