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基于激光表面微纳结构的胶接性能研究进展

表面技术 2024年第8期53卷 11-24页

作者：徐喻琼郑黔松杨奇彪钟紫珊湖北工业大学机械工程学院武汉430068 现代制造质量工程湖北省重点实验室武汉430068

胶接具有独特的性能而被广泛关注,但在实际应用中往往由于界面结合强度不足而导致接头在服役过程中过早失效。激光表面处理是一种能够有效提高胶接接头表面性能的方法,通过激光表面处理会使黏接材料表面形成不同的表面微纳结构,从而改... 详细信息

胶接具有独特的性能而被广泛关注,但在实际应用中往往由于界面结合强度不足而导致接头在服役过程中过早失效。激光表面处理是一种能够有效提高胶接接头表面性能的方法,通过激光表面处理会使黏接材料表面形成不同的表面微纳结构,从而改善接头的性能。首先介绍了激光表面处理原理及激光器分类,对比了不同激光器的优缺点及加工质量特性,分析了激光加工参数对接头强度的影响。其次从激光加工不同表面微纳结构入手,阐述了不同表面微纳结构的加工方式,分析了不同表面微纳结构对不同材料接头强度的影响。此外,针对不同的表面微纳结构,其结构参数有所不同,导致接头表面化学成分和润湿性能也有所不同,使得接头强度有所差异,在此基础上分析了微纳结构参数对接头强度的影响及原因。同时,胶层间的作用机制与接头强度具有密不可分的联系,研究表明,不同的表面微纳结构对胶层的作用机制具有明显的不同,归纳总结发现,经激光表面处理形成表面微纳结构后接头表面粗糙度、化学性质、润湿性能及胶层间裂纹的扩展对接头强度的提升具有一定作用。最后,对激光表面处理微纳结构的研究进行了展望。

关键词：激光表面处理胶接微纳结构接头强度表面性能作用机理

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激光还原氧化石墨烯改性及其应用研究进展

表面技术 2024年第12期53卷 66-80页

作者：谢丰黄志远姜晟陈宇龙成健湖北工业大学机械工程学院武汉430068 现代制造质量工程湖北省重点实验室武汉430068

近年来,二维纳米材料石墨烯因其优异的物理和化学性质而受到广泛关注,其制备方法多种多样。机械剥离法和化学气相沉积等传统的石墨烯制备方法存在效率低和成本高等问题。氧化石墨烯还原法由于原料简单而廉价,在大规模制备生产石墨烯中... 详细信息

近年来,二维纳米材料石墨烯因其优异的物理和化学性质而受到广泛关注,其制备方法多种多样。机械剥离法和化学气相沉积等传统的石墨烯制备方法存在效率低和成本高等问题。氧化石墨烯还原法由于原料简单而廉价,在大规模制备生产石墨烯中应用广泛。激光加工具有很高的精度,能同时诱导光热和光化学反应。通过激光还原氧化石墨烯不仅可以产生石墨烯结构,还能进行图案化加工,且具有无毒、无需催化剂、非接触性和可控性的特点,是加工还原氧化石墨烯的理想方式之一。从激光还原氧化石墨烯的机理入手,分析了利用激光进行光还原过程中光热效应和光化学效应的影响。对激光还原氧化石墨烯的改性技术进行了重点阐述,包括无掩膜图案化和分层结构化、杂质原子掺杂、金属/金属氧化物复合四部分。然后概述了激光还原氧化石墨烯在柔性光学器件、电子设备2个方面的应用,列举了透镜、偏振片、传感器和电容器等典型器件的性能,最后归纳了激光还原氧化石墨烯研究领域存在的问题,并提出了可能的解决路径或方案。

关键词：激光光学还原氧化石墨烯改性图案化电子器件

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考虑双资源约束的柔性机械加工车间逆调度问题研究

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中国机械工程 2024年第3期35卷 457-471页

作者：魏书鹏唐红涛李西兴杨冠宇张健武汉理工大学机电工程学院武汉430070 机器人与智能制造湖北省工程研究中心武汉430070 湖北工业大学机械工程学院武汉430068 湖北工业大学现代制造质量工程湖北省重点实验室武汉430068 武汉理工大学船海与能源动力工程学院武汉430070 中国中材国际工程股份有限公司南京211100

为提高机械加工车间在动态生产环境下的效率和稳定性,建立了考虑机器与工人约束的柔性机械加工车间逆调度问题模型。该模型以最小化完工时间、机器能耗和逆偏差指数为目标,通过调整工件排产、工人作业以及机加工工艺参数对原始调度方案... 详细信息

为提高机械加工车间在动态生产环境下的效率和稳定性,建立了考虑机器与工人约束的柔性机械加工车间逆调度问题模型。该模型以最小化完工时间、机器能耗和逆偏差指数为目标,通过调整工件排产、工人作业以及机加工工艺参数对原始调度方案进行优化。针对问题特征,提出了一种差分进化算法。在算法中,设计了混合双层编码方式以降低搜索难度;提出了两种基于调度规则的初始化方式以提高种群质量;为加强和平衡全局与局部搜索,设计了自适应遗传操作以及基于精英选择的局部搜索策略;改进了哈明距离,并提出了一种拥挤度算子以反映种群真实多样性。在实验中构建了33组测试算例,并将所提算法与其他7种算法进行对比,验证了所提算法性能。最后,分析了某液压缸生产车间在两种不同动态环境下的真实逆调度案例,结果表明,所提算法能够在较小程度改变原始调度的情况下缩短4.2%的完工时间、降低20.2%的机器能耗。

关键词：双资源约束柔性作业车间调度机械加工车间逆调度多目标优化差分进化算法

脉冲激光加工碳纤维复合材料板材的数值模拟与实验优化

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光学学报 2024年第3期44卷 166-178页

作者：蔡颂宋金潮陈达文跃兵何志坚陶能如何国旗湖南工业大学机械工程学院湖南株洲412000 湖南第一师范学院智能制造学院湖南长沙430100

利用激光线扫描方式建立丝状高斯热源的传热模型,并对其进行数值分析,得到脉冲激光烧蚀碳纤维的演化规律。对碳纤维复合材料(CFRP)板材进行激光烧蚀实验研究以验证所提模型的可行性。结果表明:当激光功率为9 W、激光扫描速度为200 mm/s... 详细信息

利用激光线扫描方式建立丝状高斯热源的传热模型,并对其进行数值分析,得到脉冲激光烧蚀碳纤维的演化规律。对碳纤维复合材料(CFRP)板材进行激光烧蚀实验研究以验证所提模型的可行性。结果表明:当激光功率为9 W、激光扫描速度为200 mm/s时,板材表面绝大多数树脂被蒸发,表面粗糙度降至7.20μm,表征数据稳定性的样本方差为1.889。实验证明了该理论模型的正确性和可行性,为CFRP材料的激光加工研究提供了参考。

关键词：激光光学碳纤维复合材料脉冲激光激光烧蚀传热模型表面粗糙度

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激光剥离EA4T钢车轴涂层研究

热加工工艺 2024年第8期53卷 135-141页

作者：杜宏昱成健李子文丰凯湖北工业大学机械工程学院湖北武汉430068 武汉滨湖电子有限责任公司湖北武汉430068

对光纤激光器剥离EA4T钢车轴表面涂层进行实验研究,对激光剥离涂层的作用机理进行分析。研究功率密度、扫描速度、填充间距等对剥离质量、效率的影响规律。结果表明,进行两次剥离,第一次功率密度为2.25×10^(6)W/cm^(2)、扫描速度为16 ... 详细信息

对光纤激光器剥离EA4T钢车轴表面涂层进行实验研究,对激光剥离涂层的作用机理进行分析。研究功率密度、扫描速度、填充间距等对剥离质量、效率的影响规律。结果表明,进行两次剥离,第一次功率密度为2.25×10^(6)W/cm^(2)、扫描速度为16 m/s、填充间距为0.1 mm。第二次功率密度2.25×10^(6)W/cm^(2)、扫描速度为16 m/s、填充间距为0.2 mm,效率为0.8 m^(2)/h。第一次剥离有油漆残留,第二次剥离可有效剥离油漆涂层,但会使EA4T钢表面产生微熔融,验证并不影响其力学性能。

关键词：激光剥离激光参数 EA4T钢表面处理

激光辅助射流电化学抛光GH3044合金实验研究

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中国激光 2024年

作者：吴国龙沈杰黄煜杰杨珍珍王晔田懿姚建华浙江工业大学机械工程学院浙江工业大学激光先进制造研究院中国工程物理研究院高端激光制造装备省部共建协同创新中心

为了满足GH3044合金在工程应用中对高质量表面的需求，采用激光辅助射流电化学抛光工艺改善其表面质量，研究了不同激光功率对点加工形貌的影响规律，以及探究不同扫描次数对线扫描加工的形貌及粗糙度的影响，在此基础上实现了样品表面... 详细信息

为了满足GH3044合金在工程应用中对高质量表面的需求，采用激光辅助射流电化学抛光工艺改善其表面质量，研究了不同激光功率对点加工形貌的影响规律，以及探究不同扫描次数对线扫描加工的形貌及粗糙度的影响，在此基础上实现了样品表面镜面级的抛光，利用SEM、XRD、XPS以及EBSD等分析方法对抛光前后试样表面进行表征，研究了表面微观形貌、物相与元素组成状态的变化。结果表明，相较于单一射流电化学抛光，激光辅助射流电化学抛光后表面精度更高，未发现难溶W元素等化合物聚集，样品表面粗糙度下降至130 nm，抛光前后样品表面的物相种类未发生改变，晶粒平均尺寸大小基本保持不变，经过激光辅助射流电化学抛光后样品表面Ni、W及其氧化物含量下降，Cr及其氧化物含量上升。激光辅助射流电化学抛光借助激光的高能量，通过增强电子传输速率进而加速钝化膜的溶解、以及溶解难溶化合物两方面途径实现对GH3044合金表面高质高效抛光。

关键词：激光射流电化学抛光 GH3044合金粗糙度表面形貌

高性能液压缸数智化设计与制造平台的构建与应用

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工程设计学报 2024年第1期31卷 31-41页

作者：张伟胡晓平唐红涛张雁翔李西兴机器人与智能制造湖北省工程研究中心武汉理工大学机电工程学院湖北武汉430070 武汉理工大学科技合作与成果转化中心湖北武汉430070 韶关液压件厂有限公司广东韶关512000 湖北工业大学机械工程学院湖北武汉430068

高性能液压缸的生产工艺柔性大,加工周期长,其生产属于典型的非标、单件小批量离散型制造模式,在设计和生产中难以优化和控制。针对液压缸生产企业在使用数字化设计和流程管控软件时软件集成度低和耦合度高的问题,设计了一种高性能液压... 详细信息

高性能液压缸的生产工艺柔性大,加工周期长,其生产属于典型的非标、单件小批量离散型制造模式,在设计和生产中难以优化和控制。针对液压缸生产企业在使用数字化设计和流程管控软件时软件集成度低和耦合度高的问题,设计了一种高性能液压缸数智化设计与制造平台。通过可重构中间件技术,该平台集成了AutoCAD、SolidWorks等软件接口,并在融合神经网络算法和多目标优化技术的同时,构建了图库、工时预测、柔性工艺规划等数字化设计和生产管控模块。该数智化设计与制造平台可以实现设计与制造过程的全生命周期管控,为制造企业实现数智化转型提供有力支撑。

关键词：高性能液压缸离散制造数智化工业软件

水帘结构同步水冷装置对光-粉同路激光熔覆温度场的影响研究

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表面技术 2024年第13期53卷 13-21页

作者：杨高林刘谭亮雍兆郑权航王晓江石岳林姚建华浙江工业大学激光先进制造研究院杭州310023 浙江工业大学高端激光制造装备省部共建协同创新中心杭州310023 浙江工业大学机械工程学院杭州310023 舟山市鼎尊智能科技有限公司浙江舟山316031

目的解决大型设备激光增材修复过程中的局部升温易烧蚀零件边缘、熔化内部导线及橡胶圈、损坏原有结构的问题。方法采用Fluent软件和VOF模型研究水帘下干区稳定气液两相流模型,通过Abaqus软件和热传导三定律、热弹塑性理论、热变形理论... 详细信息

目的解决大型设备激光增材修复过程中的局部升温易烧蚀零件边缘、熔化内部导线及橡胶圈、损坏原有结构的问题。方法采用Fluent软件和VOF模型研究水帘下干区稳定气液两相流模型,通过Abaqus软件和热传导三定律、热弹塑性理论、热变形理论建立温度场和弯曲变形的数值模型,并通过对比光-粉同路和同步水冷2种方式下熔覆316L不锈钢的熔池形貌、晶粒尺寸、热量累积、弯曲变形差异,验证同步水冷对熔覆过程中温度场的影响机理。结果同步水冷装置内部水帘呈散射状流向四周,能够形成稳定的干区环境,沉积后的金相表面无明显气孔、裂纹等缺陷。在相同参数单道沉积时,温度云图和熔池形貌表明,水冷有效缩减了熔池的大小,但其对熔池凝固速度的影响较小,二者平均晶粒尺寸仅存在略微差别,分别为28.81μm和27.55μm。多道沉积时,水帘的冷却作用拔高了熔池边缘的温度差异,拉低了外延区域的热量累积,在降低基板整体温度的同时,增大了熔池边缘的温度梯度,而温差的增大带来了更大的热应力,导致不同沉积方式下基板的变形程度不同。在悬臂梁搭接熔覆试验中,采用热电偶测得同步水冷能保持基板背面温度在50℃以下,而光-粉同路最高能达到500℃。同时,悬臂梁厚度较薄时,基板上下面温差产生的热应力大于基板自身约束力,试样发生严重变形,且含同步水冷的变形更为明显。厚度增加时,试样自身约束力增大,变形量差异逐渐减小。结论同步水冷水路的耦合限制了熔池热量的深入与扩散,可以有效实现熔覆过程中加工区域的温度控制,同时也会导致在工件较薄时弯曲变形程度提升,但在板材厚度大于3 mm时,变形量差别趋于相同,且越来越小。

关键词：同步水冷光-粉同路增材制造温度控制能场复合数值模拟

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Ni中间层对6061T6铝合金板/08Al异种金属电阻点焊接头的力学性能及组织的影响

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中国机械工程 2024年第7期35卷 1290-1298页

作者：彭宇欣刘省胡心彬湖北工业大学材料与化学工程学院武汉430068 湖北工业大学绿色轻工材料湖北省重点实验室武汉430068 车用轻质材料与加工湖北省工程实验室武汉430068

通过在钢板上添加Ni中间层,成功实现了6061T6铝合金板与08Al钢板的可靠连接,显著提高了铝/钢点焊接头的力学性能。研究结果显示,采用预制Ni中间层工艺可控制Ni中间层在钢板上的厚度与分布,减少Al-Fe脆性金属间化合物的形成;相较于直接添... 详细信息

通过在钢板上添加Ni中间层,成功实现了6061T6铝合金板与08Al钢板的可靠连接,显著提高了铝/钢点焊接头的力学性能。研究结果显示,采用预制Ni中间层工艺可控制Ni中间层在钢板上的厚度与分布,减少Al-Fe脆性金属间化合物的形成;相较于直接添加Ni箔中间层,预制Ni中间层工艺能有效增大焊核直径;钢板上激光熔覆Ni层的铝/钢电阻点焊接头最大拉剪力较高,比无中间层的接头最大拉剪力增大了35.5%。

关键词：铝/钢电阻点焊 6061T6铝合金中间层第一性原理计算