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2019年  第1卷  第4期

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综述
超短激光脉冲玻璃焊接技术研究进展
Kristian Cvecek, Sarah Dehmel, Isamu Miyamoto, Michael Schmidt
2019, 1(4). doi: 10.1088/2631-7990/ab55f6
摘要:

由于物理性能和实用性,玻璃成为各种光学和技术系统中极具吸引力的材料。然而,为了实现复杂玻璃几何形状或密封外壳,仍需拥有可适用的焊接技术。对于高性能零件的加工,传统焊接技术由于在焊接区域内引入附加材料而影响局部物理性能,并不理想,且替代方法需要较长的加工时间和材料本身的整体热循环。本文综述了超短脉冲激光(USP)玻璃焊接技术的研究现状,该技术避免了对附加材料的需求以及零件整体热循环的较长加工时间。接口通常在玻璃内部形成,并利用极端条件下产生的非线性吸收效应使其对激光透明。虽然加工过程中温度可达到约1000℃,但热影响区域(HAZ)仅限于数十微米。正是在焊接过程中对热影响区域的可控,使该技术得到了广泛应用,因为其避免了前文提及的后续回火处理,这在其他玻璃焊接技术中通常是必不可少的,进而能够有效地焊接高热敏感部件。

研究论文
双晶铜纳米切削中晶界与刀具几何角度的相互作用
Zhanfeng Wang, Tao Sun, Haijun Zhang, Guo Li, Zengqiang Li, Junjie Zhang, Yongda Yan, Alexander Hartmaier
2019, 1(4). doi: 10.1088/2631-7990/ab4b68
摘要:

各向异性是金属材料达到极限加工表面完整性的核心影响因素。具体来讲,晶界在多晶材料微观尺度变形和相关材料去除具有很大影响。本文中,作者运用分子动力学仿真和实验阐明晶界潜在的关联机制及其与双晶铜Berkovich刀具纳米切削加工结果之间的关联。利用多晶铜样品的电子背散射衍射特性,得到了具有44.1°位错取向角的仿真双晶铜的晶体取向。仿真结果表明,双晶铜纳米切削中的变形模式包括晶界位错运动的阻滞、晶界对位错的吸收和晶界位错的形核。此外,相邻晶粒中的非均匀晶界相关机制导致晶界附近的强各向异性加工行为。仿真的加工表面形貌和晶界附近的加工力演化与实验结果定性吻合。研究还发现,Berkovich刀具的几何结构对晶界相关机制和犁削引起的表面堆积现象有很大的影响。

飞秒激光增减材微加工技术:实现用于多芯光纤到硅光子封装的高通道密度硅片插入器
Gligor Djogo, Jianzhao Li, Stephen Ho, Moez Haque, Erden Ertorer, Jun Liu, Xiaolu Song, Jing Suo, Peter R Herman
2019, 1(4). doi: 10.1088/2631-7990/ab4d51
摘要:

如今,超快激光作为一种强有力工具,已广泛应用于科学研究和商业开发,开启了材料与高强场相互作用研究的新领域,使医疗手段的创新或新概念产品的制造成为可能。其中诱导常规透明材料内部吸收的新方法是最有价值的研究领域之一。在强非线性光学效应和显著能量过程展开背景下,Herman教授的团队从热力学非平衡域开始研究材料与高强场相互作用。通过优化工艺,Herman团队发现了该技术在光学材料三维结构的纳米尺度制造方面的优势,可用于发明全新的三维增/减材制造模式。这一领域的研究通常能够引领新工艺和新产品概念的发明,涉及光子学、光通信、光学封装、纤维光学、数据存储、安全标记、光学传感、平视显示器、生物传感、芯片实验室和光纤实验室等众多领域。

本论文在大量增减材激光基础研究的基础上,采用透明玻璃来解决光子学器件封装领域的重大挑战。在激光工艺层面上,利用飞秒激光相互作用对玻璃晶片内部进行全尺寸三维结构设计,以确定光学电路,并引导激光选择性地沿着轨迹刻蚀。化学刻蚀后,光学玻璃电路沿着定位槽精确排列,使得光纤或其他光学设备的组装和封装变得容易,这一过程中硅光子芯片和多芯光纤是关注的重点。定位槽在亚微米尺度的光-光互连中提供特殊自导引功能。本文介绍的光学插入器展示了将激光三维写入扩展应用到高密度光学封装的潜力,特别是在解决电信和数据中心中,光纤与硅光子处理器有效连接的关键瓶颈问题。此外,这种三维增减材工艺有望实现更高规模的集成和快速光子组装以及微光组件的封装,可被广泛地应用于生物光子芯片集成、可穿戴显示器等领域。

2024-T3铝合金连续激光焊接过程中短脉冲激光烧蚀的晶粒细化
Masaki Kasuga, Tomokazu Sano, Akio Hirose
2019, 1(4). doi: 10.1088/2631-7990/ab563a
摘要:

2024铝合金以其优异的力学性能在航空航天工业中应用广泛。然而,由于含有大量的导致凝固裂化的铜(Cu)、镁(Mg)和锰(Mn)等溶质,2024铝合金的可焊性通常较低。如果不使用填料就能实现2024铝合金高速焊接,其适用性将得到扩展。晶粒细化是防止金属焊接凝固裂化的方法之一,但还未实现2024铝合金无填料高速激光焊接。本文在连续波激光焊接过程中提出了一种短脉冲激光诱导晶粒细化方法,以实现无填料激光焊接。采用波长1070nm、功率1kW的单模光纤激光,在2024 T3铝合金上以1 mmin−1的速度进行平板堆焊。用波长1064nm、脉冲宽度10ns、脉冲能量430mJ的纳秒激光脉冲辐射熔池及周围区域。当激光脉冲辐照熔池时,证实了晶粒细化效应。晶粒细化区沿固液界面呈半圆状。垂直截面的结果表明,沿固液界面的晶粒细化区达到1mm的深度。Vickers硬度试验结果表明晶粒细化导致硬度增加,凝固裂化过程在晶粒细化区得到抑制。

超音速磨料水射流的冲击特性及滞留区形成机理研究
Kunlapat Thongkaew, Jun Wang, Guan Heng Yeoh
2019, 1(4). doi: 10.1088/2631-7990/ab531c
摘要:

磨料水射流作为一项先进制造技术在工业界正得到越来越广泛的应用。磨料水射流的形成是通过高压水作为流体介质,携带磨粒获得高速以至超音速运动来冲蚀工件表面。材料的去除主要靠磨粒冲击来实现,而将磨粒能量转换成工件表面的冲击能量对材料的冲蚀率至关重要。在高压水射流冲击过程中,射流的冲击区内会形成滞留区,从而减缓射流的冲击速度,减少射流以及磨粒能量向工件表面的传递,影响材料的去除率。本文通过计算流体动力学仿真研究高压和超高压水射流及磨料水射流对固体表面的冲击特性,滞留区的形成过程和机理,射流及冲击参数对滞留层的影响,以及滞留层对磨粒冲击速度和冲击能量的影响。