激光智能制造工艺力学、发动机科学与工程联合实验室

实验室简介：

“激光智能制造工艺力学实验室”以发展先进制造技术、提高国家基础工业和支柱产业的综合竞争力为己任，以国民经济和国家安全的重大需求为导向，瞄准国际高科技发展前沿，利用力学与材料科学、激光物理、机械制造和控制工程等多学科的交叉和融合优势，自行研制出适用于我国汽车制造、模具、机械、电子和航空航天等行业的“集成化激光智能制造及柔性加工系统”，该系统具有高度集成化、功能跨度大、创新程度高等特点，可进行多种激光柔性加工和智能制造。与国际同类型集成化系统相比，该技术装备系统集约度高，性能价格比优异，加工精度高，应用范围广，并具有自主开发和功能拓展能力，中/英文控制操作平台系统更加适用于中国的工业用户。技术性能指标达到国际同类系统先进水平，在机械、电子、航空、医疗等领域具有广阔的应用前景。

该装备系统已应用于上海大众汽车有限公司（汽车冲压模具激光强化技术及装备）、北方发动机研究所（激光热负荷实验及激光焊接/切割系统）和某工厂（激光焊接系统）。

为充分发挥中国科学院力学研究所与中国兵器工业集团北方发动机研究所各自的优势，并实现强强联合，力学所与北方发动机研究所于2006年10月成立了“发动机科学与工程联合实验室”。力学研究所是以基础性、战略性研究为本的国家级力学综合研究基地，在激光先进制造技术、热流体力学、材料工艺力学、先进制造、空气动力学等方面具有长期而深厚的研究基础；北方发动机研究所是我国高速大功率内燃机专业研究所，拥有国际领先的研究、试验条件，在内燃机总体技术、燃烧供油技术、增压技术、结构强度设计、电子调节与控制技术等方面积累了丰富的工程经验。

“发动机科学与工程联合实验室”以我国装甲动力技术为背景，针对发动机领域中的关键科学问题，深入开展基础性研究与前瞻性探索，在若干方面形成国际领先的理论成果和关键技术，并应用于我国相关重要装备的预研项目中，从而为推进我国内燃机技术水平的进步发挥基础性、战略性、前瞻性的作用。联合实验室在汲取中科院力学所与北方发动机研究所各自优势的基础上，着重在发动机部件异种材料焊接方法、发动机零部件热负荷试验规范设计、发动机动态能量分布控制方法、发动机摩擦系统分析及摩擦学设计方法、发动机多场耦合机制研究及数值模拟、发动机新型正时机构设计、发动机关键部件激光微孔加工技术、发动机关键部件表面激光强化等方面展开研究。

科研项目：

1、“集成化激光智能制造及柔性加工系统（KGXX-11）”，中国科学院知识创新重大项目

2、“汽车冲压模具激光强化技术及装备系统”，上海大众科技合作项目

3、“激光智能制造工艺力学实验研究系统”，中国科学院创新大型装备研制项目

4、“高密度激光制造/材料工艺机理研究”，瑞-中科技合作项目

5、“激光热负荷机理及实验系统研究”，中国兵器集团第七0研究所科技合作项目

6、“激光焊接技术试验研究系统”，某企业

7、“模具表面的激光造型强化处理技术”，国家自然科学基金（69678007）

8、“模具表面的激光造型强化处理技术”，中国科学院院长基金

9、“模具工作表面激光强化处理技术及装备”中国科学院仪器装备研制项目

10、“小型化千瓦射频激励快速轴流CO激光系统”，尤里卡计划EU113号

11、“高分辨率红外分子光谱研究”，英国SER/ORS

12、院“九五”重大项目二级课题（KY951-A-602）

集成化激光智能制造工艺力学实验系统安装在上海大众汽车有限公司的冲压模具激光强化装备系统

某研究所的激光热负荷实验系统某企业激光异种材料焊接系统

研究方向：

实验室的主要创新研究方向包括：

◆ 基于激光与材料相互作用原理的模具表面强化及其工艺力学研究；

◆ 激光制造过程物理力学模型及数值模拟；

◆ 基于衍射光学原理的高强激光束空间变换和柔性传输研究；

◆ 激光热负荷实验及数值研究；三维智能加工过程研究；

◆ 基于自适应原理的快速定位测量研究；

◆ 基于智能控制理论的系统 PC 集成化研究等

应用领域：

◆ 激光制造关键技术

激光表面强化；复杂结构件激光成形；激光异种材料焊接；激光三维切割；激光精微打孔；激光热负荷模拟等

◆ 数字化模拟仿真基础

激光与材料相互作用物理模型及数值模拟；高能密度激光制造力学建模；基于智能控制理论的系统PC集成化、过程仿真及可视化研究；自适应测量等

◆ 工艺力学与性能检测

熔池形成与凝固过程及残余应力分布；材料热-力学性能与表征；多场在线实时监测，工艺参数优化与控制等

◆ 激光束空间强度变换

高强激光束空间强度分布变换基础；激光束变换元件的设计和制作；光束变换技术在激光制造过程中的应用等。

1、自适应测量技术

激光加工中的快速定位及测量

实验室自主创新提出的自适应测量技术提供了一种空间三维自由曲线的测量方法，实现了三维自由曲线的数字化并做到合理地分布测点，提高测量效率、精度和安全性，从而满足工程应用中三维自由曲线的数字化需求，填补了空间三维自由曲线测量方法的空白。这项技术适应现代化大功率激光智能制造与加工工艺的要求，可广泛应用于汽车制造和机械等行业。

2、模具表面激光强化技术

实验室自主开发的“集成化激光智能制造及柔性加工系统”，可完成对各种形状复杂的模具表面进行高精度的快速定位，通过光束变换以及高能量密度作用于材料表面并使其材料表面改性，实现对模具表面全部或局部进行激光表面强化和激光表面修复，极大地提高了大型模具的使用寿命。目前，该技术已在上海大众汽车有限公司成功地应用于大型汽车冲压覆盖件模具的激光表面强化和修复。

汽车冲压模具工作面激光表面强化激光表面强化技术处理后的试样

3、激光焊接技术

激光焊接具有能量密度高、焊缝深宽比大、热影响区小、焊缝的机械性能相当于母材或优于母材的特点，特别适合于传统方法难以焊接的同种或异种金属焊接。目前实验室已成功实现了发动机增压装置异种金属激光焊接、各类合金板件激光焊接、以及航空仪表激光精密焊接等。

激光精密焊接技术增压器涡轮与涡杆异种金属激光焊接

4、激光切割技术

金属零件激光切割

在汽车新型车型和小批量个性化设计中，采用激光切割技术可以省去大量的样板和加工设备，大大缩短生产准备周期。目前，实验室已实现了汽车冲压件的激光切边整形与激光冲孔等加工工艺。

金属零件激光打孔

5、激光打孔

与电子束、电火花和传统机械打孔方式相比，激光打孔具有效果好、重复精度高、通用性强、效率高、成本低等一系列显著特点。许多高精度零部件上往往设计有许多微孔，如采用气膜或发散冷却技术的航空发动机涡轮叶片上设计有近50万个微孔。这些微孔高效、优质、低成本的加工，已成为现代制造业的关键技术之一。

6、金属零件的激光直接成形

利用激光熔化金属粉末，以CAD模型为蓝本，无需任何硬质工模具，能够适应广泛的材料变化，通过改变材料，可得到不同部位由不同材料组成的零件或梯度功能零件，与材料设计相结合，可制备具有复杂几何形状的金属零件。该技术在航天器件、飞机发动机零件及武器零件的制备上具有广阔的应用前景。

激光直接成形技术制备的不锈钢薄壁零件

论著：

虞钢，虞和济. 集成化激光智能加工工程，冶金工业出版社，2001年

发表文章百余篇，发明专利20多项。

论文：

2008年

1. Thermal fatigue on pistons induced by shaped high power laser. Part I: Experimental study of transient temperature field and temperature oscillation. Int. J. International Journal of Heat and Mass Transfer(2008)

2. Research on laser welding of cast Ni-based superalloy K418 turbo disk and alloy steel 42CrMo shaft. Journal of Alloys and Compounds.2008

3. High-power laser beam shaping by inseparable two-dimensional binary-phase gratings for surface modification of stamping dies. Optics and Lasers in Engineering.

4. K418 与 42CrMo异种金属激光焊接接头组织与力学性能. 焊接学报 2008

5. 脉冲激光相变硬化中的二维点阵光强分布设计，中国激光，2008

2007年

6. Thermal fatigue on pistons induced by shaped high power laser. Part I: Experimental study of transient temperature field and temperature oscillation. Int. J. Heat and Mass Transfer (2007), doi:10. 1016/j.ijheatmasstransfer. 2007.04. 035

7. Thermal fatigue on pistons induced by shaped high power laser. Part II: Design of spatial intensity distribution via numerical simulation. Int. J. Heat and Mass Transfer (2007), doi:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2007.04. 034

8. Research on laser welding of dissimilar materials between nickel-base cast super-alloy K418 and alloy steel 42CrMo. J. of Alloys and Compounds Accepted 16 November 2006, doi:10.1016/j.jallcom.2006.11.152

9. Microstructure and high-temperature wear and oxidation resistance of laser clad g/W2C/TiC composite coatings on g-TiAl intermetallic alloy. J. of Alloys and Compounds, Vol.439, No.1-2, 2007: 279-286

10. Dissimilar autogenous full penetration welding of superalloy K418 and 42CrMo steel by a high power CW Nd: YAG laser. Applied Surface Science 2007, 253 (17): 7281-7289

11. Microstructure and tribological properties of laser clad g/Cr7C3/TiC composite coatings on g-TiAl intermetallic alloy. Wear (2007); 262:514-521

12. Effects of La2O3 on microstructure and wear properties of laser clad g/Cr7C3/TiC composite coatings on g-TiAl intermatallic alloy. Materials Chemistry and Physics, Vol.101,No.2-3, 2007: 448-454

13. Characteristics of deep penetration laser welding of dissimilar metal Ni-based cast superalloy K418 and alloy steel 42CrMo. Optics and Lasers in Engineering, 2007, 45(9):929-934

14. Analysis of the laser surface hardening layers of the automobile engine cylindered liner. Journal of Iron and Steel Research 2007; 14:42-46

15. 激光加工中可调性一体化工作台系统的设计与算法研究. 中国激光 2007; 34:634-367

16. 集成化激光制造系统的轴件焊接控制工艺. 中国激光 2007; 34:1571-1576

17. K418与42CrMo异种金属激光深熔焊接. 焊接学报 2007; 28:83-86

18. 脉搏检测分析系统中基于多线程的高速串口通信，计算机应用与软件，2007

19. 基于压力波的人体脉搏波传播速度无创检测研究，中国生物医学工程学报，2007

20. 集成激光制造系统的开放式控制研究，计算机集成制造系统，2007

2006年

21. Microstructure and wear resistance，Intermetallics, 2006;14(3):325-331. (Impact factor: 1.770)

22. Carbon-nanotubes reinforced hydroxyapatite composite coatings produced through laser surface alloying, Carbon, 2006; 44(1):37-45. (Impact facor:3.331)

2005年

23. Eccentricity effects on the crushing history and energy absorption of metal tubes collapsed in concertina mode.，Tsinghua Science and Technology，2005, 10(2):196-203.

24. 多孔材料填充薄壁结构能量吸收的相互作用效应，力学学报，2005, 37(6):697-703

25. International Journal of Solid Structures，Partition energy absorption of axially crushed aluminum foam-filled hat sections，2005.42(10):2575-2600.

26. Eutectic MC carbide growth morphologies of a laser clad TiC/FeAl composite coating，Materials Letters，2005,Vol.59: 3699-3702. (Impact factor: 1.186)

27. Laser melted TiC reinforced Nickel aluminide matrix in situ composites，Journal of Alloys and Compounds，2005;391:49-54. (Impact factor：1.562)

28. Growth morphologies and mechanisms of MC carbide under non-equilibrium solidification conditions, Journal of Materials Research, Impact factor: 1.912)， in press

29. Laser Surface Modified Ductile Iron by Pulsed Nd: YAG Laser Beam with Two-Dimensional Array Distribution , Applied Surface Science, 2005,Vol.45: 316-321.(Impact factor: 1.497)

30. Laser-surface-alloyed carbon-nanotubes reinforced hydroxyapatite composite coatings, Applied Physics Letters, 2005; 86: Article No.251905. (Impact factor: 4. 303)

31. 汽车覆盖件模具激光表面强化中环带区域的测量及轨迹规划, 应用激光, 2005．Vol.25,No.4，Pp227-229

32. 虚拟激光柔性加工的完整过程仿真模型研究－覆盖件模具的激光硬化, 中国机械工程, 2005. Vol.16,No

.7 Pp574-577

33. 对达曼光珊进行二维扩展的矩形孔径光珊设计, 激光杂志，2005. Vol.26, No.3 Pp23-24

34. 神经网络在覆盖件模具表面激光硬化虚拟过程的应用，金属热处理，2005. Vol.30, No.3 Pp61-63

35. 基于PROFIBUS-DP的激光加工系统数字化控制，工业控制计算机，2005.2　 pp75-76

2004年

36. 汽车模具复杂棱脊和沟槽的数字化及激光加工轨迹规划，机械工程学报，2004. Vol.40,No.12 pp 155-159

37. 连续移动三维瞬态激光溶池温度场数值模拟，中国激光，2004．Vol.31,No.11

38. 激光智能制造系统中同步控制的实现，机械工程学报，2004 Vol.40，No5 pp126-130

39. 自由曲面的二维自适应测量及测球半径的三维补偿，机械工程学报，2004 Vol40，No 2 pp117-120

2003年

40. 球铁材料脉冲激光表面强化的实验研究, 中国激光，30卷，5期，2003

41. 五轴框架式机器人激光加工系统轨迹算法研究, 中国激光，30卷，1期，2003

42. 静态不确定性环境中非完整轮式移动机器人路径规划研究，机器人，2003 Vol 25，No7， pp.661-664

43. A Numerical Model of Rapid Solidification Processing of Ni－AI Alloy in Planar Flow Casting，ISIJ International，Vol.43(2003),No.8, pp.1200-1205

44. 汽车模具棱边的三维自适应测量及六维加工规矩轨迹划分，中国机械工程2003 Vol. 14 No.17，pp. 1444- 1447

45. Ni25Al75合金快速凝固过程中的包晶反应凝固过程，中国有色金属学报，2003 Vol. 13 No.2 Pp335-338

46. 集成化柔性激光加工系统的误差检测及其补偿，中国机械工程，2003 Vol. 14 . No.5， PP. 367-370

2002年

47. 连续冷却多阶段快速凝固过程起始形核温度的计算,中国有色金属学报,2002

48. 神经网络共轭梯度优化算法在激光加工定位中的应用，机械工程学报，38卷， 2002

49. 集成化柔性激光加工系统的误差检测及其建模补偿，中国机械工程，2002

50. Numerical simu lation of lase materials interaction for lase surface treatment，第三届亚太激光会议, 2002.9.17～20，日本大阪APLS2002，WePA4

51. Microstructure Evolution of Laser Pulse processed Ductile Iron，第三届亚太激光会议, 2002.9.17～20，日本大阪APLS2002，HLC4T

52. Digitized processing path generation of a computer integrated multi-functional 5-axis laser processing system，第三届亚太激光会议, 2002.9.17～20，日本大阪APLS2002，WePA39

53. Cow-eye Microstrure Evolution of Laser Pulse processed for Ductile Iron，Optical Technology and Image Proceeding for Fluids and SolidsDiagnostics SPIE/Beijing 2002 AdvancedAbstract

54. 分形模糊神经网络诊断方法研究和应用，东北大学学报，23卷，2期，pp.195-198，2002

2001年

55. 柔性激光加工系统中的测量功能及静态误差分析, 机械工程学报，37卷, 8期, PP.364－368, 2001

56. Nano-indentation hardness and modulus of laser surface modifications for outer-penal forming moulds & dies，

Mechanics and Material Engineering for Science and Experimente PP.390－395, 2001

57. 具有特殊衍射强度分布的二元位相光栅设计, 中国激光，28卷，4期，PP364－368, 2001

58. 面向柔性激光加工的自适应测量和神经网络方法, 机械工程学报，37卷，5期，PP.60－63, 2001

2000年

59. 通过虚拟驱动程序（VxD）实现稳定的串口通讯, 微计算机应用，21卷， 6期，PP.338－34，2000

60. 激光加工中传热相变问题的焓解法, 中国激光，27卷，10期，PP931－936,　2000

61. A Computer Integrated Multi-Functional 5-Axis Laser, ISATA 2000,Vol.Lasers/Robots, PP.145－152, 2000

1999年

62. Adaptive Measurement Enhancing the Performance of a 5-axis Robot Machine, SPIE AHPLA&dfdfdf99，HPLO4 3888-57, 1999

63. Laser Surface Treatment of Carbon Steels using Diffractive Optical Converters, SPIE AHPLA&dfdfdf99, HPLO4 3888-38, 1999

64. Diffractive Optics Improving Applications in High Power Laser, Processing　SPIE AHPLA&dfdfdf99,HPLO1 3885-35, 1999

65. Adaptive Measurement Improving Welding Quality for a 5-Axis Laser Machining Equipment, INTERNATIONAL CONFERENCE ON EFFICIENT WELDING IN INDUSTRIAL APPLCATIONS, PP.194-199, 1999

66. Diffractive Optics Enhancing Laser Performance in Surface Modification, 7th NOLAMP: 7th NORDIC

67. CONFERENCE IN LASER PROCESSING OF MATERIALS, Vol.2, pp.544-551, 1999

Analysis of Conduction Phase Change During Laser Materials Processing Based on Enthalpy Model,

68. INTERNATIONAL CONFERENCE ON EFFICIENT WELDING IN INDUSTRIAL APPLCATIONS, pp. 99－105, 1999

69. 激光加工系统平面方程生成与误差分析补偿　东北大学学报　Vol.20, No.2, PP.185-187,1999

中国发明专利：

1、一种激光焊接涡轮盘和转轴的方法200810055876.0

2、一种激光焊接活塞的方法200710304373.8

3、一种闭合曲线的激光加工系统200710308514.3

4、一种激光焊接闭合曲线首尾连接处的方法200710308513.9

5、一种用于激光焊接头的保护装置200710179450.1

6、激光柔性加工系统200710064749.2