激光3D打印技术的应用讲解（5篇可选）

第一篇：激光3D打印技术的应用讲解

激光3D打印技术的应用—说课稿

本次课主要讲解激光3D打印技术的应用。

教学目标是：通过本次课的学习，让你了解激光3D打印技术的应用领域。

目前，激光3D打印需求量较大的主要有航天、医疗、制造业等诸多行业，我们一一讲解：

应用1：航天航空

我国歼15在装机试车时，采用传统铸造技术研制的一个关键零件始终不合格。当时，在时间非常紧迫又缺乏相同金属材料的情况下，利用激光3D打印技术直接打印出一种性能比较接近的金属零件，最终通过了检测。

西北工业大学甚至可以利用激光直接3D打印出飞机机翼，这也是一个非常了不起的成绩。

应用2：医疗

人类是很脆弱的生物，稍不留神，身体上就会受到伤害而无法弥补。现在可以利用3D打印技术培养出人体细胞及组织，从而制造出医疗植入物将提高伤残人士的生活质量。

3D打印的人体器官有很多优势，它可以根据人体特征进行精确配型，让打印出的器官及组织在人体内更好的工作。

比如，上图利用3D打印出的血管组织，和下图3D打印的心脏，都可以根据人体特征进行精确配型。

当前，3D打印已经成功打印出人体的各器官，而且这些器官和组织已经应用于手术之中。

激光3D打印技术在医疗应用方面的研究已经涉及纳米医学、制药乃至器官制造。我们相信，3D打印技术在未来一定会使定制药物成为现实，来缓解当前器官供体短缺的、等问题。

应用3：工业设计

3D打印可以为工业设计提供优势。在设计的早期阶段，无论在功能还是创意上，实体模型都能为您提供宝贵的信息。

比如这些栩栩如生的实体模型，都是3D打印而成，实体模型是你与客户交流沟通的最有效工具，在将数据从计算机挪到生产线之前，它也是对数字模型进行测评的最佳工具，可以极大地缩短研发周期。

应用4：建筑房产

3D打印在建筑行业的应用已经很普遍。

我们可以利用3D打印直接打印出建筑模型，比如这2个建筑。

让用户对建筑的风格、样式、甚至色彩都一目了然，其真实度可以达到100%。如果用户还想进一步了解的话，我们甚至可以打印出个性家装设计及建筑户型三维实物模型。

比如这2个三维的户型以及家装设计实物模型。

应用5：制造业

3D打印离大规模应用尚存距离，但在制造领域已经先行一步，比如可以直接打印出太阳能电池。

内部多孔的，利用传统工艺不易制作的复杂零件。甚至可以直接打印出赛车的零部件。

应用6：个性饰品

随着社会的不断发展，人们的个性化需要也越来越多。3D打印正好可以满足这一需求。

比如我们可以直接打印出具有个人意愿的时尚珠宝等个性首饰。

小结一下这次课的主要内容：

本次课介绍了激光3D打印技术的主要应用行业：

主要有航天航空、医疗、工业设计、建筑房产、制造业、个性饰品等。除了这些，3D打印还在文物保护、食品制造、科学研究等多个方面也有用武之地。而且随着技术的进步，它的应用肯定会越来越广泛。

最后看一下我们的作业。

作业1：你觉得，激光3D打印技术在航空航天的应用有何特点？ 作业2：拓展题，你估计，激光3D打印技术在文物保护可以起到什么作用？ 本次课就讲到这里。

第二篇：激光技术在多个领域的应用与研究进展讲解

激光技术在多个领域的应用与研究进展(广东 **大学 理学院,广东

【摘要】 自 1960年第一台红宝石激光器问世以来,激光器和激光放大器的发展 非常迅速。激光工作物质已包括晶体、玻璃、光纤、气体、半导体、液体及自由电 子等数百种之多。激光器诞生后 , 以激光器为基础的激光技术得到了广泛的应用 , 对 军事、经济、工农业产生了很大的影响 , 取得了很好的经济效益和社会效益。本文简 单的列出了激光在在多个方面和领域的应用和激光现在的发展技术。随着激光技术 的不断发展和成熟,必将对我们的生活生产和科技起到不可估量的作用。

【关键词】 激光技术 激光应用 激光进展 激光通信 激光医学 激光工程

一、引言

激光原理发现和激光器的诞生是 20 世纪科学技术的一项重大成就。是与原子 能、半导体、算机齐名的四项重大发明之一。激光的发明 , 是光学发展并与其他科 学技术领域紧密结合和相互渗透的产物。激光的出现不但引起了光学革命性的发展, 冲击了整个物理学,并且对其它学科如化学、生物学和技术及应用学科如电机工程 学、材料科学、通信、医学等都产生了巨大的影响。

二、激光在通信领域的应用与研究进展

激光通信依传输介质的不同,分为四种:光纤通信、大气通信、空间通信、水 下通信。

激光器在通信领域的应用 , 发展了光纤通信业 , 光纤通信在军、民用方面都得到 快速发展,它可工作在几十兆赫的短波、超短波波段,也可工作在微波波段一改过 去通信容量有限的面貌。基于 MEMS 技术的波长可调谐激光器被认为是光纤接入网的 最佳选择 【 1】 ,因其具有快速、低功耗、大调节范围的优点,现已逐步得到国内各重 要光通信研究机构的认同和追逐 【 2】。数字光纤通信用激光器代替模拟光纤通信用激 光器, 通过温度控制、预失真补偿电路等线性补偿方法, 以及在输入

端采用 AGC、固 定衰减器等动态范围补偿的方法,使数字光纤通信用激光器在线性度以及动态范围 两方面得到很大的提高,达到模拟光纤通信用激光器的水平,可以应用于短波、超 短波以及微波波段的模拟光纤通信中 【 3】。

大气激光通信是以大气作为传输介质的通信,是激光出现后最先研制的一种通 信方式。虽然大气的吸收、色散使得利用激光在地面上通信具有某种界限,但是目 前已利用气体激光器制造出能在良好气候的晚上传输信息达几百公里,在良好气候 的白天传输信息达几十公里的设备。光通信不但可以传送电话, 而且可以传送数据、传真、电视和可视电话等。现在研究工作主要集中在增大通信距离,提高全天候性 能和传输速率以及实现移动通信等方面 【 4】。21世纪是光电技术突飞猛进的年代, 大气激光通信技术势必将有较大的提高和发展,尤其是在电磁频谱复杂,电子干扰 日益强烈的战场环境,光通信显得尤为重要。因此研究和发展激光通信,加大通信 距离,实现全天候移动通信,是电子对抗和通信对抗的需要,也是未来发展的趋势 之一。

自由空间激光通信是利用激光作为载体在外空间进行高速率、大容量、高保密

性能的空问通信。其中包括深空、同步轨道、低轨道、中轨道卫星问的光通信,有 GEO(geosyn— chronous earth orbit, GEO 一 GEO、GEO — LEO(10w— earth orbit, LEO、LEO — LEO、LEO 一地面等多种形式,同时还包括卫星与地面站之间的通信 ⋯。空间机群指挥也是空间光通信的军事应用目标。由于不受大气粒子的影响,又具有 无损耗、无干扰、成本低、体积小、重量轻等优点,空间卫星光通信受到了相当的 关注 【 5】。空间激光通信系统从功能上分为通信分系统和捕获、跟踪、对准(ATP分系 统。通信分系统除实现高速率、高功率发射和宽带高灵敏度接收外,还将通信 束散角以非常狭窄的光束发射(近衍射极限,一般为十几微弧度量级。这是使空间 激光通信具有远距离、轻小型、高速率通信能力的基础 【 6】。空间激光通信系统经过近20年的快速发展.系统中的诸多关键技术已经取得了突破。目前,国际上已经成 功开展了多个链路的演示验证, 但是距离实际 T 程应用尚有距离。一方面是其丁程性、成熟度、可靠性还需要进一步提高.另一方面

是其通信速率尚没有充分发挥光通信 的技术优势.还需要不断提高以满足现代信息化的需求。

随着高新技术的发展,水下捕捞、探测、控制等的需要,逐渐形成了水下通信 这一个特殊的应用领域。由于海水对频率较高的电磁波的强吸收作用,电磁波在水 中的能量衰减很严重,几乎无法穿过海水传播,以致造成了传统电波在水下通信应 用中的无效性。激光器的发明和应用促进了光通信的发展, 更为水下 光通信带来了 福音,因此对具有高数据传输速率、优良的保密性和抗干扰性的水下通信研究有重 大的战略意义。美国在多次海上激光对潜通信试验的基础上,开展了星载对潜通信 的全面论证,计划采用装有大功率固体激光器的离地面仅有几百千米的廉价、低轨 道卫星, 代替先前计划采用的地球同步卫星, 以开展双工卫星-潜艇激光通信系统的

研究 【 7】。

三、激光在医学领域的应用与研究进展

激光是一方向性强, 单色性能好和能高度集中的相干光束, 利用透镜能聚焦成 非常小的光点,在光点上其能量密度非常高,并且可以在几个微秒或几个毫秒之内 发生作用,激光的光点经聚焦以后其直径可达几十个微米,因而在治疗时可以精确 地选择病变部位 【 8】。激光以其特有的优越性能解决了许多传统医学的难题。激光治 疗最早应用于眼科,对视网膜剥离、眼底血管

病变、虹膜切开、青光眼等一大批眼科疾患均能用激光治疗。激光手术刀具有术中 出血少, 可减少细菌感染等优点。激光与中医针灸术结合而形成的 “光针” , 对镇痛、哮喘、遗尿、高血压等有一定疗效。激光技术为现代医学提供了一种“神力” ,能够 治疗内科、外科、眼科、皮肤、肿瘤和耳鼻喉科的 100多种疾病 【 9】。

低强度医用激光器利用光生物调节作用(photobiomodulation, PBM 调节细胞、器官或组织的功能。PBM 是低强度单色光或激光(10w intensity monochromatic lightor laser irradiation , LIL 对生物系统的一种非损伤非热的光化学调节作用。与

分子发生共振作用的激光波长称为分子的特征波长。内源性光敏剂的特征波长在 可见光区域。细胞膜蛋白的特征波长比长波紫外(320~400nm(ultraviolet A.UVA 短。uL 作用对象的基本单位是细胞, 介导细胞 PBM 有两条通路:内源性光敏剂介导 PBM 的特异性通路,主要通过适量活性氧(reactive oxygenspecies , ROS 进行调节;细 胞膜上蛋白质分子介导 PBM 的非特异性通路,主要通过信号转导和基因表达进行调 节,服从 PBM 的生物信息模型。

高强度医用激光器利用高强度激光(tugh intensity laserirradiation.HIL 的光热效应、冲击波和光声效应等进行手术。HIL 手术和 PBM 在医学中的应用几乎总 是各自独立发展。HIL 光束中心强度非常高,可能损伤损伤半径以内的细胞,但光束在损伤半径以外的平均强度属于低强度范围,可以对损伤半径以外的细胞产生 PBM。HIL 光束损伤半径以 外的部分对没有损伤的细胞所产生的 PBM 可以简单地称为高强度激光生物调节作用(HILbiomodulation, HBM。所以 HIL 光束在损伤半径以内可以切除组织;损伤半径 以外的 HBM 依赖于 HIL 在损伤半径以外的平均剂量,可促进剩余器官的生长乃至恢复 器官的正常功能,或抑制剩余组织的生长 【 10】。

四、激光在工业领域的应用与研究进展

激光因具有单色性、相干性、和平行性三大优点,将此应用于材料加工,形成 一门新型的加工工业——激光工业。激光的空间控制性和时间控制性很好,对加工 对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大,与计算机数控技术相结合, 可构成高效自动化加工设备。广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制 造等重要部门,对提高劳动生产率、产品质

量、自动化、无污染、减少材料消耗等起重要作用 【 11】。经过不断的研究开发,激光 已经广泛应用于切削加工、焊接、表面工程技术、非金属材料和硬质合金加工等方 面。

激光熔覆是通过在基材表面添加熔覆材料,并利用高能密度激光束辐照加热, 使熔覆材料和基材表面薄层发生熔化,并快速凝固,从而在基材表面形成与其为冶 金结合的添料熔覆层田。激光熔覆具有如下优点:激光束的能量密度高,加热速度 快,对基材的热影响较小,引起工件的变形小;控制激光的输入能量,可将基材的

稀释作用限制在极低的程度(一般为2％～8％，从而保持了原熔覆材料的优异性能； 激光熔覆层与基材之间结合牢固(冶金结合，且熔覆层组织细小。这些特点使得激 光熔覆技术近十年来在材料表面改性方面受到高度的重视 【12】。激光堆焊可以获得高性能(如耐磨性、耐腐蚀性能、抗氧化性能、热障性能等 的合金堆焊层，而且具有激光堆焊层与基体的结合为冶金结合，组织极细，覆层成 分及稀释率可控，覆层厚度大，热变形小，易实现选区堆焊，工艺过程易实现自动 化等特点。因此激光堆焊技术在材料的表面处理方面倍受关注，并在工业易损件修 复、双金属零件的制造等方面应用上已经取得了一定的成果。激光堆焊材料的成分 直接决定了堆焊层的使用性能，为了适应复杂的应用环境，人们研究出了多种成分、多种形态的堆焊材料。目前常用的堆焊材料为铁基合金、钴基合金、镍基合金。它 们共同的特点是较低的应力磨粒磨损能力，优良的耐磨蚀、耐热和抗高温氧化性能。其中铁基合金不仅因其价格低廉、而且由于通过调整成分、组织。可以在很大范围 内改变堆焊层的强度、硬度、韧性、耐磨、耐蚀、耐热和抗冲击性。是应用最为广。泛的一种堆焊合金【13】 激光对金属材料的表面处理，是近十年来发展起来的一项新技术。无论是对黑 色金属还是有色金属，在实践的应用中它都显示了独特的优越性，并在工业生产上 得到了广泛的应用。用激光处理金属，一般是以一定模式的激光光束对准工件需处 理的部位，由工件随工作台的移动（转动或平移）来实现激光扫描。为防止表面氧 化及等离子体的生成，常采用惰性气体保护系统，一般工件的处理均为空冷，有些 特殊要求件也可采用液氮冷却 【14】。由于激光加工显示出明显的质量和效益上的优越 性，使其应用得到迅速发展。6 激光打标可以按激光与材料作用的方式分为表面打标(如雕刻和材料转化(如 漂白。激光表面打标作为较早的一种方法，它是利用蒸发或烧蚀材料表面的一个浅

层来产生所需的标记。近年来，越来越盛行在塑料的亚表面打标。这种方法通常添 加某种敏感的颜料，激光经光化学作用改变塑料或所加颜料的颜色 【15】。未来的世纪，激光技术的新应用将不断使奇迹变得平凡，激光发展的历史证 明了这一点。激光技术将更深人地与人类的发展相联系，她会默默地服务于我们的 生活而不为我们所感知。参考文献： 【1】 牛燕炜，朱守正，陈燕仙，等.MEMS 开关可重构矩形缝隙环天线的设计[J].通信技术 2008(12：55-60.【2】 苏福根，金经莉.光纤通信中的 MEMS 外腔可调谐激光器技术 【J】.通信技术，2009，42（7）：393-396.【3】 王景国，曾奕衡.数字激光器在模拟光纤通信中的应用【J】.光纤与电缆及 其应用技术，2008（1）：38-40.【4】 王海先.大气中的激光通信技术 【J】.红外与激光工程，2001，（1）45-49.30 ： 【5】 陈娅冰，赵尚弘，朱蕊蘋，等.自由空间卫星激光通信【J】.系统工程与电 子技术，2003，25（9）：1173-1175.【6】 佟首峰，姜会林，张立中.高速率空间激光通信系统及其应用【J】.红外与 激光工程，2010，39（4）:649-654.【7】 邓小芳，周胜源，林基明.水下光通信系统的建模与仿真【J】.光通信技术，7 2009，33（6）：41-42.【8】 朱菁.激光医学【M】.上海：上海科学技术出版社，2003.【9】 王晓敏，陈培昕，李怡勇.激光在临床医学中的若干应用与进展【J】.医疗设 备信息，2006，21（6）：42-44.【10】 刘承宜，刘江，张燕，等.激光医学原理与医用激光器【J】.激光与光电子 进展，2006，43（9）：31-35.【11】 戴波.激光技术与工业应用【J】.装备制造技术，2009（2）：127-128.。在医学领域,建立了激光医疗产业, 【12】 刘录录，孙荣禄.激光熔覆技术及工业应用研究进展 【J】.热加工工艺，2007，36（11）：58-60.【13】 王小范，姚建华，张群莉.激光表面堆焊技术的应用及展望【J】.兵器材料 科学与工程，2005，28（4: 67-70.【14】姚建华，苏宝蓉.金属表面激光处理技术及其工业应用【J】.电力机车技术，2002，25（5）：28-30.【15】苏红新.激光打标的应用趋势【J】.光电子技术与信息，1998,11(3:32-35.8

第三篇：水下激光焊接技术的应用

水下激光焊接技术的应用

海洋工程结构因常年在海上工作，其工作环境极为恶劣，除受到结构的工作载荷外，还要承受风暴、波浪、潮流引起的附加载荷以及海水腐蚀、砂流的磨蚀、地震或寒冷地区冰流的侵袭。此外，石油天然气的易燃易爆性对结构也存在威胁。而且海洋结构的主要部分在水下，服役后焊接接头的检查和修补很困难，费用也高，一旦发生重大结构损伤或倾覆事故，将造成生命财产的严重损失。所以对海洋工程结构的设计制造、材料选择以及焊接施工等都有严格的质量要求。而随着海洋石油和天然气工业的发展,海洋管道工程日益向深海挺进,我国作为一个发展中的沿海大国,国民经济要持续发展,就必须把海洋的开发和保护作为一项长期的战略任务。大量的海底管道施工工程对水下焊接技术提出了新的要求。

水下焊接由于水的存在，使焊接过程变得更加复杂，并且会出现各种各样陆地焊接所未遇到的问题，目前，世界各国正在应用和研究的水下焊接方法种类繁多，应用较成熟的是电弧焊。随着水下焊接技术的发展，除了常用的湿法水下焊接、局部干法水下焊接和干法水下焊接以外，又出现了一些新的水下焊接方法。但是，从各国海洋开发的前景来看，水下焊接的研究远远不能适应形势发展的需要。因此，加强这方面的研究，无论是对现在或将来，都将是一项非常有意义的工作。

湿法水下焊接

湿法焊接中，水下焊接的基本问题表现最为突出。因此采用这类方法难以得到质量好的焊接接头，尤其在重要的应用场合，湿法焊接的质量难以令人满意。但由于湿法水下焊接具有设备简单、成本低廉、操作灵活、适应性强等优点。所以，近年来各国对这种方法仍在继续进行研究，特别是涂药焊条和手工电弧焊，在今后一段时期还会得到进一步的应用。在焊条方面，比较先进的有英国Hydroweld公司发展的Hydroweld FS水下焊条，美国的专利水下焊条7018’S 焊条，以及德国Hanover大学基于渣气联合保护对熔滴过渡的影响和保护机理所开发的双层自保护药芯焊条。美国的Stephen Liu等人在焊条药皮中加入锰、钛、硼和稀土元素，改善了焊接过程中的焊接性能，细化了焊缝微观组织。水下焊条的发展促进了湿法水下焊接技术的应用。目前，在国、内外都有采用水下湿法焊条电弧焊技术进行水下焊接施工的范例。

药芯焊丝的出现和发展适应了焊接生产向高效率、低成本、高质量、自动化和智能化方向发展的趋势。英国TWI与乌克兰巴顿研究所成功开发了一套水下湿法药芯焊丝焊接的送丝结构、控制系统及其焊接工艺。华南理工大学机电工程系刘桑、钟继光等人开发了一种药芯焊丝微型排水罩水下焊接方法，从实用经济的角度出发,完全依靠焊接时自身所产生的气体以及水汽化产生的水蒸气排开水而形成一个稳定的局部无水区域,使得电弧能在其中稳定的燃烧。微型排水罩的尺寸和结构决定了焊接过程中无水区(局部排水区)的大小和稳定程度。除此之外，他们还通过复合滤光技术和水下CCD摄像系统，采集出了药芯焊丝水下焊接电弧区域图像，从而为水下湿法焊接电弧的机理分析及水下焊接过程控制奠定了基础。

20081182069光信0802林裕

第四篇：激光熔覆技术分析与展望讲解

激光熔覆技术分析与展望

作者：张庆茂激光熔覆是一种新型的涂层技术，是涉及到光、机、电、材料、检测与控制等多学科的高新技术，是激光先进制造技术最重要的支撑技术，可以解决传统制造方法不能完成的难题，是国家重点支持和推动的一项高新技术。目前，激光熔覆技术已成为新材料制备、金属零部件快速直接制造、失效金属零部件绿色再制造的重要手段之一，已广泛应用于航空、石油、汽车、机械制造、船舶制造、模具制造等行业。为推动激光熔覆技术的产业化，作者：张庆茂

激光熔覆是一种新型的涂层技术，是涉及到光、机、电、材料、检测与控制等多学科的高新技术，是激光先进制造技术最重要的支撑技术，可以解决传统制造方法不能完成的难题，是国家重点支持和推动的一项高新技术。目前，激光熔覆技术已成为新材料制备、金属零部件快速直接制造、失效金属零部件绿色再制造的重要手段之一，已广泛应用于航空、石油、汽车、机械制造、船舶制造、模具制造等行业。

为推动激光熔覆技术的产业化，世界各国的研究人员针对激光熔覆涉及到的关键技术进行了系统的研究，已取得了重大的进展。国内外有大量的研究和会议论文、专利介绍激光熔覆技术及其最新的应用：包括激光熔覆设备、材料、工艺、监测与控制、质量检测、过程的模拟与仿真等研究内容。但到目前为止，激光熔覆技术还不能大面积工业化应用。分析其原因，这里有政府导向的因素、激光熔覆技术本身成熟程度的限制、社会各界对激光熔覆技术的认可程度等因素。因此，激光熔覆技术欲实现全面的工业化应用，必须加大宣传力度，以市场需求为导向，重点突破制约发展的关键因素，解决工程应用中涉及到的关键技术，相信在不远的将来，激光熔覆技术的应用领域及其强度将不断的扩大。下面介绍激光熔覆技术几个发展的动态，以飨读者。

激光熔覆的优势

激光束的聚焦功率密度可达1010~12W/cm2，作用于材料能获得高达1012K/s的冷却速度，这种综合特性不仅为材料科学新学科的生长提供了强有力的基础，同时也为新型材料或新型功能表面的实现提供了一种前所未有的工具。激光熔覆所创造的熔体在高温度梯度下远离平衡态的快速冷却条件，使凝固组织中形成大量过饱和固溶体、介稳相甚至新相，已经被大量研究所证实。它提供了制造功能梯度原位自生颗粒增强复合层全新的热力学和动力学条件。同时激光熔覆技术制备新材料是极端条件下失效零部件的修复与再制造、金属零部件的直接制造的重要基础，受到世界各国科学界和企业的高度重视和多方面的研究。

目前，利用激光熔覆技术可以制备铁基、镍基、钴基、铝基、钛基、镁基等金属基复合材料。从功能上分类：可以制备单一或同时兼备多种功能的涂层如：耐磨损、耐腐蚀、耐高温等以及特殊的功能性涂层。从构成涂层的材料体系看，从二元合金体系发展到多元体系。多元体系的合金成分设计以及多功能性是今后激光熔覆制备新材料的重要发展方向。

最新的研究表明，在我国工程应用中钢铁基的金属材料占主导地位。同时，金属材料的失效（诸如腐蚀、磨损、疲劳等）大多发生零部件的工作表面，需要对表面进行强化。为满足工件的服役条件而采用大块的原位自生颗粒增强钢铁基复合材料制造，不仅浪费材料，而且成本极高。另一方面，从仿生学的角度考察天然生物材料，其组成为外密内疏，性能为外硬内韧，且密—疏、硬—韧从外到内是梯度变化的，天然生物材料的特殊结构使其具有优良的使用性能。根据工程上材料特殊的服役条件和性能的要求，迫切需要开发强韧结合、性能梯度变化的新型表层金属基复合材料。因此，利用激光熔覆的方法制备与基材呈冶金结合的梯度功能原位自生颗粒增强金属基复合材料不仅是工程实践的迫切需要，也是激光表面改性技术发展的必然趋势。激光熔覆技术制备原位自生颗粒增强金属基复合材料、功能梯度材料已有报道，但大部分停留在组织、性能分析，工艺参数的控制阶段，增强相的尺寸、间距和所占的体积比还不能达到可控制的水平，梯度功能是通过多层涂覆形成的，不可避免地在层与层之间存在界面弱结合的问题，距离实用还有相当长的路。利用激光熔覆技术制备颗粒大小、数量、分布可控，强韧性适当匹配，集梯度功能和原位自生颗粒增强为一体的金属基表层复合材料是今后重要的发展方向。研究内容涉及到：

● 熔覆材料成分、组织、性能设计的技术、手段和原理及其工艺实现的控制技术。

● 激光熔覆制备功能梯度原位自生颗粒增强金属基复合材料颗粒增强相析出、长大和强化的热力学和动力学模型的建立。

● 颗粒增强相形态、结构、功能和复合的仿生设计和尺寸、数量、分布的控制技术。

● 涂层成分、组织和性能梯度控制的原理、关键因素和工艺方法的研究。

● 宏观、微观界面的观察、分析控制和表征；功能梯度原位自生颗粒增强金属基复合材料常规性能的分析和检测以及不同工况下的磨损行为及失效机制。

这些研究内容的突破，有可能解决涂层与基体相容性不匹配，易于产生裂纹的问题，促进激光熔覆技术应用领域的拓宽。

激光复合熔覆技术

激光熔覆是由激光作为热源，在基底上包覆一层性能极为优良的合金层，其性能将依照所处理零件的具体要求而定。激光熔覆方法的优点是覆层组织细密、性能优异、热应力小、变形小以及无污染等。其缺点也是很明显的：需要很高功率的激光器、单道搭接扫描不适宜大面积处理，难于实现产业化等。为解决这些难题，采用激光复合熔覆技术是有效的途径之一，也是今后发展的重要方向。激光复合熔覆就是采用普通加热方法，再加上激光复合加热来完成熔覆处理工作。普通加热方法根据需要可以是电加热、各类感应加热等。归纳起来，激光复合熔覆技术具有如下的特点：

●“常规（如感应）＋激光”二者复合加热熔覆是集两种加热工艺的优点，同时克服了各自单一方法的不足，充分体现了优势互补的特点。

● 用常规方法辅佐了激光加热，从而可以实现用较小功率的激光器完成由原来必需很高功率也不易完成的大面积熔覆，是单一方法无论如何也不易做到的。

● 激光复合熔覆技术扩大了常规技术的新的更广应用，而对常规技术的采纳又进一步促进了激光熔覆技术的应用和产业化的进程。

● 激光复合熔覆技术特别适用于细长杆类，尺寸在一定范围内的轴类等零件，如抽油泵柱塞、某些类型的轧辊及特殊用途的轴等。

新型激光源的熔覆技术

目前，激光熔覆主要采用的是CO2气体激光器，用于大型零件的激光熔覆，见图2和图3，少部分采用YAG激光器。YAG激光熔覆常采用脉冲激光熔覆。最近的工程应用表明，采用YAG激光熔覆在小型零部件方面更有优势。

发展的另一个重要的趋势是采用高功率半导体激光器，利用波长范围808-965μm的红光或近红外激光，较CO2 激光器来看金属易吸收，可省去前期预处理，方便易操作。大功率半导体激光熔覆技术较其他熔覆方法具有显著的优势，见表1。同时，半导体激光可以实现与同轴送粉一体化控制及应用光纤传输与扩束技术进行导光聚焦，实现全封闭传输或光纤传输，实现光、机、电、粉、控一体化高度集成控制；与机器手（人）结合，小型化，可实现移动在线服务，满足不同层次的需求。可以预见，在传统CO2、YAG激光熔覆技术之外，新型的大功率半导体激光熔覆设备与工艺，必将逐步发展起来并满足高质量表面工程的需要，成为激光表面处理的重要组成部分。

极端条件下的激光熔覆技术

随着激光熔覆技术的成熟与发展，陆续成功的应用于瓦楞辊的激光熔覆见图4，缸套火焰环的激光熔覆直接制造见图5，发动机部件修复见图6等。实现了以激光为主要加工手段对各种金属部件的几何缺失，按照原制造标准进行几何尺寸的回复、性能的提升。随着科学技术和工程技术的发展与需要，金属部件工作的条件愈来愈苛刻，经常工作在高交变应力、高温、高速、高腐蚀等极端条件下。因此，制造金属部件的材料需要同时具有多种性能才能满足零件特殊的服役条件。而且这些部件的制造成本、制造周期长，一旦失效产生巨大的经济损失和安全事故。如轮机装备中，各类重要的部件如：叶片、转子轴颈、阀杆、叶轮、阀门等；飞机发动机、内燃机部件等。这些工程上的技术难题，为激光熔覆技术提出了新的挑战。因此，如何解决极端条件下失效零部件的修复问题是十分迫切和复杂的，需要对极端条件下，零部件的失效形式分析，剩余寿命进行评估，选择合适的材料、工艺方法。因此，以极端条件下关键零部件的强化与修复为切入点，系统研究激光熔覆强化与再制造技术，通过若干关键技术的联合攻关，获得适合于极端条件下，各种零部件强化与修复的总体技术。重点需要攻关的方向：

● 极端条件下，失效零部件修复（强化）前后，寿命评估技术；

● 极端条件下，失效零部件无损伤修复技术的研究；

● 极端条件下，失效零部件激光修复专用合金材料的研究；

● 实体测量、三维实体堆积造型修复控制系统、修复过程温度、几何尺寸和质量智能监控系统的研究；

● 专用的修复附属装备的研究；

● 修复层性能测试技术及其加工技术的研究。

激光熔覆技术的展望

激光熔覆技术是集材料制备和表面构型为一体，是绿色再制造技术的重要支撑技术之一，符合国家可持续发展战略的高新技术。我国科学工作者在基础理论研究方面处在国际先进水平，为激光熔覆技术的发展做出了巨大的贡献。但另一方面，激光熔覆技术的应用水平和规模还不能适应市场的需求。需要解决工程应用中的关键技术，研究开发专用的合金粉末体系，开发专用的粉末输送装置与技术，系统研究无损伤修复的工艺方法，建立质量保证和评价体系，加大力度，培养工程应用方面的人才，相信在制造业市场竞争日趋激烈的今天，激光熔覆技术大有可为。

作者简介

张庆茂，男，工学博士，教授，广东激光加工技术产学研结合示范基地主任，广东省光学学会激光加工专业委员会秘书长。

近年来，主持或参与了国家“九五”、广东、广州、吉林等省市、企业多项课题。主要的研究方向：激光加工过程的数值模拟；激光制备原位析出颗粒增强梯度功能金属基复合材料强化、韧化机理的研究；基于高能激光束的关键金属零件表面强化、修复技术；激光微加工系统集成与工艺技术的研究；非金属材料的光束处理技术。先后在国内外期刊和重要的学术会议发表研究论文近六十余篇。

第五篇：激光设备控制技术教材——第一章第八节讲解

第八节 他励直流电动机的制动

欲使电力拖动系统停车，对反抗性负载来说最简单的方法是断开电枢电源，这时电动机的电磁转矩为零，在空载损耗阻转矩的作用下，系统转速就会逐渐减小至零，这叫做自由停车法。停车过程中阻转矩通常都很小，这种停车方法一般较慢，特别是空载自由停车，更需要较长的时间。许多生产机械希望能快速减速或停车，或使位能负载能稳定匀速下放，这就需要拖动系统产生一个与旋转方向相反的转矩，这个起着反抗运动作用的转矩称制动转矩。

产生制动转矩的方法有两种：一是利用机械摩擦获得，称为机械制动，例如常见的抱闸装置；二是在电动机的旋转轴上施加一个与旋转方向相反的电磁转矩，称为电磁制动。判断电动机是否处于电磁制动状态的条件是：电磁转矩T的方向和转速n的方向是否相反。是，则为制动状态；否则为电动状态。

与机械制动相比，电磁制动的制动转矩大、操作方便、没有机械磨损，容易实现自动控制，所以在电动机拖动系统中得到广泛应用。本节主要介绍他励直流电动机的能耗制动、反接制动和回馈制动。

一、能耗制动

能耗制动原理图如图1-32所示。原来KM接通，电动机工作于电动运行状态；制动时KM断开，保持励磁电流不变，将电枢两端从电网断开，并立即接到一个制动电阻Rz上。能耗制动对应的机械特性如图1-33所示。这时从机械特性上看，电动机工作点从A点切换到B点，在B点因为U=0，所以Ia=-Ea/(Ra+Rz)，电枢电流为负值，由此产生的电磁转矩T也随之反向，由原来与n同方向变为与n反方向，进入制动状态，起到制动作用，使电动机减速，工作点沿特性曲线下降，由B点移至O点。当n=0，T=0时，若是反抗性负载，则电动机停转。

在这过程中，电动机由生产机械的惯性作用拖动，输入机械能而发电，发出的能量消耗在电阻Ra+Rz上，直到电动机停止转动，故称为能耗制动。

为了避免过大的制动电流对系统带来不利影响，应合理选择Rz，通常限制最大制动电流不超过额定电流的2～2.5倍。

EaUNRaRz（1-18）(22.5)IN(22.5)IN如果能耗制动时拖动的是位能性负载，电动机可能被拖向反转，工作点从O点移至C点才能稳定运行。能耗制动操作简单，制动平稳，但在低速时制动转矩变小。若为了使电动机更快地停转，可以在转速降到较低时，再加上机械制动相配合。

图1-33 能耗制动机械特性

二、反接制动

他励直流电动机的电枢电压U和电枢电动势Ea中的任何一个量在外部条件作用下改变方向，即两者由原来方向相反变为一致时，电动机即进入反接制动状态。因此反接制动可用两种方法实现，即电压反接（一般用于反抗性负载）与电动势反接（用于位能性负载）。

1.电压反接制动

电压反接制动原理图如图1-34所示，电动机原来工作于电动状态下，为使电动机迅速停车，现维持励磁电流不变，突然改变电枢两端外加电压U的极性，此时n、Ea的方向还没有变化，电枢电流Ia为负值，由其产生的电磁转矩的方向也随之改变，进入制动状态。由于加在电枢回路的电压为-(U+Ea)≈-2U，因此，在电源反接的同时，必须串接较大的制动电阻Rz，Rz的大小应使反接制动时电枢电流Ia≤2.5IN。

Rz

图1-35 反接制动时的机械特性

机械特性曲线见图1-35中的直线bc。从图中可以看出，反接制动时电动机由原来的工作点。沿水平方向移到b点，并随着转速的下降，沿直线bc下降。通常在c点处若不切除电源，电动机很可能反向启动，加速到d点。

所以电压反接制动停车时，一般情况下，当电动机转速n接近于零时，必须立即切断电

源，否则电动机反转。

电压反接制动效果强烈，电网供给的能量和生产机械的动能都消耗在电阻Ra+Rz上。

2.电动势反接制动

如图1-36所示，电动机原先提升重物，工作于a点，若在电枢回路中串接足够大的电阻，特性变得很软，转速下降，当n=0时(c点)，电动机的T仍然小于TL，在位能性负载倒拉作用下，电动机继续减速进入反转，最终稳定地运行在d点。此时n<0，T方向不变，即进入制动状态，工作点位于第四象限，Ea方向变为与U相同。电动势反接制动的机械特性方程和电枢串电阻电动运行状态时相同。

电动势反接制动时，电动机从电源及负载处吸收电功率和机械功率，全部消耗在电枢回路电阻Ra+Rz上。电动势反接制动常用于起重机低速下放重物，电动机串入的电阻越大，最后稳定的转速越高。

三、回馈制动

若电动机在电动状态运行中，由于某种因素(如电动机车下坡)而使电动机的转速高于理想空载转速时，电动机便处于回馈制动状态。n>n0是回馈制动的一个重要标志。因为当n>n0时，电枢电流Ia与原来n

回馈制动的机械特性方程式和电动状态时完全一样，由于Ia为负值，所以在第二象限，如图1-37所示。电枢电路若串入电阻，可使特性曲线的斜率增加。

例1.7 一台他励直流电动机，PN=5.6kW，UN=220V，IN=31A，nN=1000r/min，Ra=0.4Ω，负载转矩TL=49N.m，电枢电流不得超过2倍额定电流（忽略空载转矩T0）,试计算：

①电动机拖动反抗性负载，采用能耗制动停车，电枢回路应串入的制动电阻最小值是多少？

②若采用电枢反接制动停车，电阻最小值是多少？ 解：①计算能耗制动电阻

CeNUNIaRa220310.40.208

nN1000电动状态的稳定转速

nUNRa2200.4T491010r/min CeNCeCTN20.2089.550.2082能耗制动电阻

RbkEaCeNn0.2081010RaRa0.42.99 IbkIbk231UNEa2200.2081010Ra0.46.54 Ibk231②Rbk