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金属材料激光微焊接研究进展

中国激光 2024年

作者：杜伟哲黄旭霆郑敏肖荣诗黄婷北京工业大学材料与制造学部智能光子制造研究中心

设备器件精密化、微型化是工业发展的重要趋势。在航空航天、动力电池、消费电子、生物医疗等应用领域零部件的日益微型化对微加工工艺提出了更高的要求。金属材料微焊接是微加工领域的重要需求之一，而激光具有能量密度高、热输入精确... 详细信息

设备器件精密化、微型化是工业发展的重要趋势。在航空航天、动力电池、消费电子、生物医疗等应用领域零部件的日益微型化对微加工工艺提出了更高的要求。金属材料微焊接是微加工领域的重要需求之一，而激光具有能量密度高、热输入精确可控、焊接变形小等特点，成为金属材料微焊接的重要技术手段。本文对金属材料激光微焊接技术展开探讨，明确了其内涵，阐明了微尺度效应的影响，并介绍了激光微焊接常见缺陷及其质量控制方法、同种金属材料以及异种金属材料激光微焊接的重要应用前景。最后，总结展望了金属材料激光微焊接技术存在的问题以及未来的发展方向。

关键词：金属箔材激光微焊接尺度效应工艺参数应用

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金属材料激光微焊接研究进展（特邀）

中国激光 2024年第4期 68-84页

作者：杜伟哲黄旭霆郑敏肖荣诗黄婷北京工业大学材料与制造学部智能光子制造研究中心

设备器件精密化、微型化是工业发展的重要趋势。在航空航天、动力电池、消费电子、生物医疗等应用领域中，零部件的日益微型化对微加工工艺提出了更高的要求。金属材料微焊接是微加工领域的重要需求之一，而激光具有能量密度高、热输入... 详细信息

设备器件精密化、微型化是工业发展的重要趋势。在航空航天、动力电池、消费电子、生物医疗等应用领域中，零部件的日益微型化对微加工工艺提出了更高的要求。金属材料微焊接是微加工领域的重要需求之一，而激光具有能量密度高、热输入精确可控、焊接变形小等特点，是金属材料微焊接的重要技术手段。对金属材料激光微焊接技术展开了探讨，明确了其内涵，阐明了微尺度效应的影响，并总结了激光微焊接常见的缺陷及其质量控制方法，介绍了同种金属材料和异种金属材料激光微焊接的重要应用前景。最后，指出了金属材料激光微焊接技术存在的问题，并展望了未来的发展方向。

关键词：激光技术金属箔材激光微焊接尺度效应工艺参数应用

飞秒激光表面织构化对CFRP/2060铝锂合金高速激光连接接头剪切性能的影响

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航空制造技术 2024年第5期67卷 89-94,102页

作者：王栋徐洁洁黄婷景若木张景泉肖荣诗北京工业大学材料与制造学部智能光子制造研究中心北京100124

激光表面织构化作为提高异质结构接头剪切性能的有效手段,已广泛应用于碳纤维增强复合材料(CFRP)与金属材料激光连接领域中。采用波长515 nm的飞秒激光在2060铝锂合金表面制备微结构,采用能量密度分布均匀的矩形光斑实现CFRP和2060铝锂... 详细信息

激光表面织构化作为提高异质结构接头剪切性能的有效手段,已广泛应用于碳纤维增强复合材料(CFRP)与金属材料激光连接领域中。采用波长515 nm的飞秒激光在2060铝锂合金表面制备微结构,采用能量密度分布均匀的矩形光斑实现CFRP和2060铝锂合金异质接头的高速光纤激光连接,探讨飞秒激光刻蚀深度、扫描线间距对异质结构接头剪切强度的影响规律。结果表明,通过飞秒激光织构化处理,异质接头剪切强度得到了大幅提升,接头破坏形式均为界面断裂和基体断裂的混合断裂模式。在激光功率5 kW、焊接速度高达3.6 m/min条件下,接头平均剪切强度可达35.7 MPa,是未经飞秒激光织构化接头的2.3倍。

关键词：碳纤维增强复合材料(CFRP) 2060铝锂合金飞秒激光织构化激光连接剪切强度

GH3128薄板搭接环芯组合光纤激光焊接焊缝形貌调控

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电加工与模具 2024年第3期 37-42页

作者：周嘉树肖荣诗北京工业大学物理与光电工程学院智能光子制造研究中心北京100124

航空发动机因内流道结构的入口端和出口端不同,其焊接问题是一大难题,如何在实际焊接中做到焊缝熔宽连续可控已成为研究热点。针对GH3128高温合金开展环芯组合光纤进行激光搭接焊研究,通过纯中心激光焊接得到了焊缝深度为1.5 mm的工艺参... 详细信息

航空发动机因内流道结构的入口端和出口端不同,其焊接问题是一大难题,如何在实际焊接中做到焊缝熔宽连续可控已成为研究热点。针对GH3128高温合金开展环芯组合光纤进行激光搭接焊研究,通过纯中心激光焊接得到了焊缝深度为1.5 mm的工艺参数,在此基础上通过环芯组合焊接得到了实际熔深为1.51~1.81 mm、熔宽为0.25~0.75 mm的焊缝,对环芯组合光纤激光器的中心光束和环形光束传播规律及焊缝形貌调控原因进行分析。分析发现,环形光束的加入有利于降低激光束照射到材料表面的温度梯度,从而影响焊缝成形,通过环芯组合的激光焊接可得熔深合理、熔宽连续调控的GH3128薄板搭接焊缝。

关键词： GH3128薄板环芯组合光纤焊缝熔宽

柔性电子制造领域的超快激光技术:机制、特征功用及挑战(特邀)

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激光与光电子学进展 2024年第1期61卷 207-222页

作者：季凌飞孙伟高林真源周博昊程维温亚楠王冠强北京工业大学材料与制造学部激光工程研究院北京100124 北京工业大学跨尺度激光成型制造技术教育部重点实验室北京100124 北京市激光应用技术工程技术研究中心北京100124

随着智能化时代的到来,柔性电子由于其极强的共形能力和优异的器件性能,在进一步推动现代化产业发展中取得越来越重要的地位。超快激光技术以其优异的高精制造能力在柔性电子高分辨无损制备上展示出独特的优势和应用前景。本文从超快激... 详细信息

随着智能化时代的到来,柔性电子由于其极强的共形能力和优异的器件性能,在进一步推动现代化产业发展中取得越来越重要的地位。超快激光技术以其优异的高精制造能力在柔性电子高分辨无损制备上展示出独特的优势和应用前景。本文从超快激光与物质相互作用基本机制入手,着重介绍了当前超快激光在柔性电子领域的四种典型特征功用及其研究现状,并据此总结该领域超快激光应用所面临的挑战和未来发展趋势。

关键词：超快激光柔性电子微纳加工

2060铝锂合金光纤激光焦点旋转填丝焊工艺研究

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中国激光 2021年第22期48卷 116-125页

作者：武强姜仁杰李新桐邹江林肖荣诗北京工业大学材料与制造学部智能光子制造研究中心北京100124

采用光纤激光焦点旋转的焊接方法进行2 mm厚2060铝锂合金薄板填丝(ER4047)焊接试验。利用高速摄像仪观察焊丝熔滴过渡行为及熔池流动行为,采用光学显微镜、能谱仪、X射线衍射仪、扫描电镜、显微硬度仪及拉伸试验机对焊缝成形质量、气孔... 详细信息

采用光纤激光焦点旋转的焊接方法进行2 mm厚2060铝锂合金薄板填丝(ER4047)焊接试验。利用高速摄像仪观察焊丝熔滴过渡行为及熔池流动行为,采用光学显微镜、能谱仪、X射线衍射仪、扫描电镜、显微硬度仪及拉伸试验机对焊缝成形质量、气孔形貌、显微组织、化学成分、断口形貌、硬度及接头强度进行分析。结果表明:旋转的激光焦点周期性地作用在熔池及焊丝末端,致使熔池长度增加,熔池流动更平稳且波动幅度减小;焦点旋转可以有效改善焊缝成形,抑制飞溅和气孔的产生;焊缝等轴细晶区的宽度及该区的晶粒尺寸减小,靠近细晶区的柱状晶尺寸也有所减小。与非激光焦点旋转焊接接头相比,激光焦点旋转焊接接头熔合线附近的显微硬度和强度略有升高,接头断裂在熔合线附近,断口呈混合断裂特征。

关键词：激光技术铝锂合金填丝焊接光纤激光焦点旋转组织力学性能

基于焊丝深熔模式的铝/铜激光熔钎焊工艺研究

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中国激光 2021年第22期48卷 126-135页

作者：姜仁杰程智伟武强肖荣诗北京工业大学材料与制造学部智能光子制造研究中心北京100124

采用基于焊丝深熔模式的熔钎焊方法,进行了1060铝合金和T2紫铜异种金属的激光填丝焊工艺研究。利用高速摄像机观测焊丝熔化的过渡行为,采用光学显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜、显微硬度仪及拉伸试验机对焊缝形貌、接头组织及性能进行... 详细信息

采用基于焊丝深熔模式的熔钎焊方法,进行了1060铝合金和T2紫铜异种金属的激光填丝焊工艺研究。利用高速摄像机观测焊丝熔化的过渡行为,采用光学显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜、显微硬度仪及拉伸试验机对焊缝形貌、接头组织及性能进行表征。结果表明,采用不同的坡口形式和尺寸,使激光束在坡口中的作用位置偏向铜侧,这有利于焊缝成形。熔钎焊接头成形良好,无咬边缺陷。接头拉伸强度可达铝母材的80%,接头断裂发生在界面层,断裂方式为脆性断裂。在焊缝界面层,存在笋状和胞状的铝/铜金属间化合物。XRD检测结果表明,金属间化合物由Al_(2)Cu相和Al_(4)Cu_(9)相组成。界面层在铜侧钎焊区中部及下部分布均匀,厚度约为20μm。

关键词：激光技术异种金属深熔模式填丝熔钎焊坡口形式组织性能

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吸收层对铜箔飞秒激光冲击强化的影响

表面技术 2021年第12期50卷 174-180页

作者：田甜张景泉黄婷肖荣诗北京工业大学材料与制造学部智能光子制造研究中心北京100124

目的通过对不同吸收层下飞秒激光冲击后Cu箔的显微组织和力学性能变化分析,选出强化效果更好的吸收层。方法利用飞秒激光对覆有百纳米厚度吸收层的铜箔(Cu-nm)和覆有百微米厚度吸收层的铜箔(Cu-μm)进行冲击强化,通过扫描电镜、电子背... 详细信息

目的通过对不同吸收层下飞秒激光冲击后Cu箔的显微组织和力学性能变化分析,选出强化效果更好的吸收层。方法利用飞秒激光对覆有百纳米厚度吸收层的铜箔(Cu-nm)和覆有百微米厚度吸收层的铜箔(Cu-μm)进行冲击强化,通过扫描电镜、电子背散射衍射仪、X射线衍射仪、显微硬度计对两个样品进行显微组织和力学性能的观测分析。结果飞秒激光冲击后,Cu-nm主要产生形变孪晶,孪晶比例提高了60.9%,大角度晶界比例提高了12.8%,显微硬度提高了10.8%;Cu-μm主要发生位错变化,位错密度增加16%,小角度晶界比例提高9.8%,显微硬度提高2.2%。除此之外,经飞秒激光冲击后,Cu-nm产生了更大的残余压应力,不仅中和了母材的残余拉应力,还表现为残余压应力;而Cu-μm经飞秒激光冲击后,产生的残余压应力无法完全中和母材的残余拉应力,仍显示为残余拉应力。结论对比研究得出,飞秒激光冲击Cu-nm后,实现了微观组织孪晶化,改变了残余应力状态,提高了铜箔表面的硬度。

关键词：飞秒激光冲击吸收层显微组织力学性能

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晶面对单晶硅高功率绿光飞秒激光加工的影响

表面技术 2021年第11期50卷 362-371页

作者：张欣黄婷肖荣诗北京工业大学材料与制造学部智能光子制造研究中心北京100124

目的研究不同晶面取向对飞秒激光刻蚀加工硅的影响。方法采用515 nm绿光高功率飞秒激光器,通过改变激光平均功率和扫描次数,对硅(111)和(100)面进行刻蚀加工,对比研究两个晶面的凹槽刻蚀深度和凹槽底部粗糙度差异。利用电子背散射衍射(E... 详细信息

目的研究不同晶面取向对飞秒激光刻蚀加工硅的影响。方法采用515 nm绿光高功率飞秒激光器,通过改变激光平均功率和扫描次数,对硅(111)和(100)面进行刻蚀加工,对比研究两个晶面的凹槽刻蚀深度和凹槽底部粗糙度差异。利用电子背散射衍射(Electron Backscatter Diffraction,EBSD)技术,研究不同晶面在飞秒激光刻蚀加工中的微观行为特性,对比硅不同晶面的非晶化阈值和烧蚀阈值,同时对比不同晶面的非晶化能力和再结晶能力。结果随着激光平均功率和扫描次数的增大,激光刻蚀形成的凹槽越来越深,相同条件下,硅(111)面的凹槽深度比(100)面的凹槽深度更大,且硅(111)面凹槽底部的粗糙度比(100)面凹槽底部的粗糙度更大。当凹槽刻蚀深度达到300μm时,(111)面的凹槽深度比(100)面约深20μm,粗糙度约高4μm。通过EBSD技术获得硅两个晶面的非晶化阈值,两个晶面的非晶化阈值近似,约为0.16 J/cm^(2)。在相同的非晶化阈值下,(111)面的非晶程度比(100)面大。在较少的激光扫描次数下,观察到硅(111)面的激光吸收率比(100)面高。结论晶面取向不仅影响到飞秒激光多脉冲作用下硅的微观结构,而且还影响到硅的宏观飞秒激光加工效果。加工参数相同时,(111)面单晶硅的刻蚀深度明显大于(100)面单晶硅,原因是硅(111)面的非晶化能力比(100)面强,导致(111)面吸收更多的激光能量,材料去除效率更高。

关键词：单晶硅晶面取向飞秒激光刻蚀非晶化电子背散射衍射