第一篇：激光熔覆技術(shù)分析與展望講解

激光熔覆技術(shù)分析與展望

作者：張慶茂激光熔覆是一種新型的涂層技術(shù)，是涉及到光、機(jī)、電、材料、檢測(cè)與控制等多學(xué)科的高新技術(shù)，是激光先進(jìn)制造技術(shù)最重要的支撐技術(shù)，可以解決傳統(tǒng)制造方法不能完成的難題，是國(guó)家重點(diǎn)支持和推動(dòng)的一項(xiàng)高新技術(shù)。目前，激光熔覆技術(shù)已成為新材料制備、金屬零部件快速直接制造、失效金屬零部件綠色再制造的重要手段之一，已廣泛應(yīng)用于航空、石油、汽車(chē)、機(jī)械制造、船舶制造、模具制造等行業(yè)。為推動(dòng)激光熔覆技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，作者：張慶茂

激光熔覆是一種新型的涂層技術(shù)，是涉及到光、機(jī)、電、材料、檢測(cè)與控制等多學(xué)科的高新技術(shù)，是激光先進(jìn)制造技術(shù)最重要的支撐技術(shù)，可以解決傳統(tǒng)制造方法不能完成的難題，是國(guó)家重點(diǎn)支持和推動(dòng)的一項(xiàng)高新技術(shù)。目前，激光熔覆技術(shù)已成為新材料制備、金屬零部件快速直接制造、失效金屬零部件綠色再制造的重要手段之一，已廣泛應(yīng)用于航空、石油、汽車(chē)、機(jī)械制造、船舶制造、模具制造等行業(yè)。

為推動(dòng)激光熔覆技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，世界各國(guó)的研究人員針對(duì)激光熔覆涉及到的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，已取得了重大的進(jìn)展。國(guó)內(nèi)外有大量的研究和會(huì)議論文、專(zhuān)利介紹激光熔覆技術(shù)及其最新的應(yīng)用：包括激光熔覆設(shè)備、材料、工藝、監(jiān)測(cè)與控制、質(zhì)量檢測(cè)、過(guò)程的模擬與仿真等研究?jī)?nèi)容。但到目前為止，激光熔覆技術(shù)還不能大面積工業(yè)化應(yīng)用。分析其原因，這里有政府導(dǎo)向的因素、激光熔覆技術(shù)本身成熟程度的限制、社會(huì)各界對(duì)激光熔覆技術(shù)的認(rèn)可程度等因素。因此，激光熔覆技術(shù)欲實(shí)現(xiàn)全面的工業(yè)化應(yīng)用，必須加大宣傳力度，以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，重點(diǎn)突破制約發(fā)展的關(guān)鍵因素，解決工程應(yīng)用中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)，相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域及其強(qiáng)度將不斷的擴(kuò)大。下面介紹激光熔覆技術(shù)幾個(gè)發(fā)展的動(dòng)態(tài)，以饗讀者。

激光熔覆的優(yōu)勢(shì)

激光束的聚焦功率密度可達(dá)1010~12W/cm2，作用于材料能獲得高達(dá)1012K/s的冷卻速度，這種綜合特性不僅為材料科學(xué)新學(xué)科的生長(zhǎng)提供了強(qiáng)有力的基礎(chǔ)，同時(shí)也為新型材料或新型功能表面的實(shí)現(xiàn)提供了一種前所未有的工具。激光熔覆所創(chuàng)造的熔體在高溫度梯度下遠(yuǎn)離平衡態(tài)的快速冷卻條件，使凝固組織中形成大量過(guò)飽和固溶體、介穩(wěn)相甚至新相，已經(jīng)被大量研究所證實(shí)。它提供了制造功能梯度原位自生顆粒增強(qiáng)復(fù)合層全新的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件。同時(shí)激光熔覆技術(shù)制備新材料是極端條件下失效零部件的修復(fù)與再制造、金屬零部件的直接制造的重要基礎(chǔ)，受到世界各國(guó)科學(xué)界和企業(yè)的高度重視和多方面的研究。

目前，利用激光熔覆技術(shù)可以制備鐵基、鎳基、鈷基、鋁基、鈦基、鎂基等金屬基復(fù)合材料。從功能上分類(lèi)：可以制備單一或同時(shí)兼?zhèn)涠喾N功能的涂層如：耐磨損、耐腐蝕、耐高溫等以及特殊的功能性涂層。從構(gòu)成涂層的材料體系看，從二元合金體系發(fā)展到多元體系。多元體系的合金成分設(shè)計(jì)以及多功能性是今后激光熔覆制備新材料的重要發(fā)展方向。

最新的研究表明，在我國(guó)工程應(yīng)用中鋼鐵基的金屬材料占主導(dǎo)地位。同時(shí)，金屬材料的失效（諸如腐蝕、磨損、疲勞等）大多發(fā)生零部件的工作表面，需要對(duì)表面進(jìn)行強(qiáng)化。為滿(mǎn)足工件的服役條件而采用大塊的原位自生顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料制造，不僅浪費(fèi)材料，而且成本極高。另一方面，從仿生學(xué)的角度考察天然生物材料，其組成為外密內(nèi)疏，性能為外硬內(nèi)韌，且密—疏、硬—韌從外到內(nèi)是梯度變化的，天然生物材料的特殊結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)良的使用性能。根據(jù)工程上材料特殊的服役條件和性能的要求，迫切需要開(kāi)發(fā)強(qiáng)韌結(jié)合、性能梯度變化的新型表層金屬基復(fù)合材料。因此，利用激光熔覆的方法制備與基材呈冶金結(jié)合的梯度功能原位自生顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料不僅是工程實(shí)踐的迫切需要，也是激光表面改性技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。激光熔覆技術(shù)制備原位自生顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料、功能梯度材料已有報(bào)道，但大部分停留在組織、性能分析，工藝參數(shù)的控制階段，增強(qiáng)相的尺寸、間距和所占的體積比還不能達(dá)到可控制的水平，梯度功能是通過(guò)多層涂覆形成的，不可避免地在層與層之間存在界面弱結(jié)合的問(wèn)題，距離實(shí)用還有相當(dāng)長(zhǎng)的路。利用激光熔覆技術(shù)制備顆粒大小、數(shù)量、分布可控，強(qiáng)韌性適當(dāng)匹配，集梯度功能和原位自生顆粒增強(qiáng)為一體的金屬基表層復(fù)合材料是今后重要的發(fā)展方向。研究?jī)?nèi)容涉及到：

● 熔覆材料成分、組織、性能設(shè)計(jì)的技術(shù)、手段和原理及其工藝實(shí)現(xiàn)的控制技術(shù)。

● 激光熔覆制備功能梯度原位自生顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)相析出、長(zhǎng)大和強(qiáng)化的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型的建立。

● 顆粒增強(qiáng)相形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能和復(fù)合的仿生設(shè)計(jì)和尺寸、數(shù)量、分布的控制技術(shù)。

● 涂層成分、組織和性能梯度控制的原理、關(guān)鍵因素和工藝方法的研究。

● 宏觀(guān)、微觀(guān)界面的觀(guān)察、分析控制和表征；功能梯度原位自生顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料常規(guī)性能的分析和檢測(cè)以及不同工況下的磨損行為及失效機(jī)制。

這些研究?jī)?nèi)容的突破，有可能解決涂層與基體相容性不匹配，易于產(chǎn)生裂紋的問(wèn)題，促進(jìn)激光熔覆技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬。

激光復(fù)合熔覆技術(shù)

激光熔覆是由激光作為熱源，在基底上包覆一層性能極為優(yōu)良的合金層，其性能將依照所處理零件的具體要求而定。激光熔覆方法的優(yōu)點(diǎn)是覆層組織細(xì)密、性能優(yōu)異、熱應(yīng)力小、變形小以及無(wú)污染等。其缺點(diǎn)也是很明顯的：需要很高功率的激光器、單道搭接掃描不適宜大面積處理，難于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化等。為解決這些難題，采用激光復(fù)合熔覆技術(shù)是有效的途徑之一，也是今后發(fā)展的重要方向。激光復(fù)合熔覆就是采用普通加熱方法，再加上激光復(fù)合加熱來(lái)完成熔覆處理工作。普通加熱方法根據(jù)需要可以是電加熱、各類(lèi)感應(yīng)加熱等。歸納起來(lái)，激光復(fù)合熔覆技術(shù)具有如下的特點(diǎn)：

●“常規(guī)（如感應(yīng)）＋激光”二者復(fù)合加熱熔覆是集兩種加熱工藝的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了各自單一方法的不足，充分體現(xiàn)了優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的特點(diǎn)。

● 用常規(guī)方法輔佐了激光加熱，從而可以實(shí)現(xiàn)用較小功率的激光器完成由原來(lái)必需很高功率也不易完成的大面積熔覆，是單一方法無(wú)論如何也不易做到的。

● 激光復(fù)合熔覆技術(shù)擴(kuò)大了常規(guī)技術(shù)的新的更廣應(yīng)用，而對(duì)常規(guī)技術(shù)的采納又進(jìn)一步促進(jìn)了激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。

● 激光復(fù)合熔覆技術(shù)特別適用于細(xì)長(zhǎng)桿類(lèi)，尺寸在一定范圍內(nèi)的軸類(lèi)等零件，如抽油泵柱塞、某些類(lèi)型的軋輥及特殊用途的軸等。

新型激光源的熔覆技術(shù)

目前，激光熔覆主要采用的是CO2氣體激光器，用于大型零件的激光熔覆，見(jiàn)圖2和圖3，少部分采用YAG激光器。YAG激光熔覆常采用脈沖激光熔覆。最近的工程應(yīng)用表明，采用YAG激光熔覆在小型零部件方面更有優(yōu)勢(shì)。

發(fā)展的另一個(gè)重要的趨勢(shì)是采用高功率半導(dǎo)體激光器，利用波長(zhǎng)范圍808-965μm的紅光或近紅外激光，較CO2 激光器來(lái)看金屬易吸收，可省去前期預(yù)處理，方便易操作。大功率半導(dǎo)體激光熔覆技術(shù)較其他熔覆方法具有顯著的優(yōu)勢(shì)，見(jiàn)表1。同時(shí)，半導(dǎo)體激光可以實(shí)現(xiàn)與同軸送粉一體化控制及應(yīng)用光纖傳輸與擴(kuò)束技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)光聚焦，實(shí)現(xiàn)全封閉傳輸或光纖傳輸，實(shí)現(xiàn)光、機(jī)、電、粉、控一體化高度集成控制；與機(jī)器手（人）結(jié)合，小型化，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)在線(xiàn)服務(wù)，滿(mǎn)足不同層次的需求?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在傳統(tǒng)CO2、YAG激光熔覆技術(shù)之外，新型的大功率半導(dǎo)體激光熔覆設(shè)備與工藝，必將逐步發(fā)展起來(lái)并滿(mǎn)足高質(zhì)量表面工程的需要，成為激光表面處理的重要組成部分。

極端條件下的激光熔覆技術(shù)

隨著激光熔覆技術(shù)的成熟與發(fā)展，陸續(xù)成功的應(yīng)用于瓦楞輥的激光熔覆見(jiàn)圖4，缸套火焰環(huán)的激光熔覆直接制造見(jiàn)圖5，發(fā)動(dòng)機(jī)部件修復(fù)見(jiàn)圖6等。實(shí)現(xiàn)了以激光為主要加工手段對(duì)各種金屬部件的幾何缺失，按照原制造標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行幾何尺寸的回復(fù)、性能的提升。隨著科學(xué)技術(shù)和工程技術(shù)的發(fā)展與需要，金屬部件工作的條件愈來(lái)愈苛刻，經(jīng)常工作在高交變應(yīng)力、高溫、高速、高腐蝕等極端條件下。因此，制造金屬部件的材料需要同時(shí)具有多種性能才能滿(mǎn)足零件特殊的服役條件。而且這些部件的制造成本、制造周期長(zhǎng)，一旦失效產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失和安全事故。如輪機(jī)裝備中，各類(lèi)重要的部件如：葉片、轉(zhuǎn)子軸頸、閥桿、葉輪、閥門(mén)等；飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)部件等。這些工程上的技術(shù)難題，為激光熔覆技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。因此，如何解決極端條件下失效零部件的修復(fù)問(wèn)題是十分迫切和復(fù)雜的，需要對(duì)極端條件下，零部件的失效形式分析，剩余壽命進(jìn)行評(píng)估，選擇合適的材料、工藝方法。因此，以極端條件下關(guān)鍵零部件的強(qiáng)化與修復(fù)為切入點(diǎn)，系統(tǒng)研究激光熔覆強(qiáng)化與再制造技術(shù)，通過(guò)若干關(guān)鍵技術(shù)的聯(lián)合攻關(guān)，獲得適合于極端條件下，各種零部件強(qiáng)化與修復(fù)的總體技術(shù)。重點(diǎn)需要攻關(guān)的方向：

● 極端條件下，失效零部件修復(fù)（強(qiáng)化）前后，壽命評(píng)估技術(shù)；

● 極端條件下，失效零部件無(wú)損傷修復(fù)技術(shù)的研究；

● 極端條件下，失效零部件激光修復(fù)專(zhuān)用合金材料的研究；

● 實(shí)體測(cè)量、三維實(shí)體堆積造型修復(fù)控制系統(tǒng)、修復(fù)過(guò)程溫度、幾何尺寸和質(zhì)量智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究；

● 專(zhuān)用的修復(fù)附屬裝備的研究；

● 修復(fù)層性能測(cè)試技術(shù)及其加工技術(shù)的研究。

激光熔覆技術(shù)的展望

激光熔覆技術(shù)是集材料制備和表面構(gòu)型為一體，是綠色再制造技術(shù)的重要支撐技術(shù)之一，符合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的高新技術(shù)。我國(guó)科學(xué)工作者在基礎(chǔ)理論研究方面處在國(guó)際先進(jìn)水平，為激光熔覆技術(shù)的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。但另一方面，激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用水平和規(guī)模還不能適應(yīng)市場(chǎng)的需求。需要解決工程應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)，研究開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的合金粉末體系，開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的粉末輸送裝置與技術(shù)，系統(tǒng)研究無(wú)損傷修復(fù)的工藝方法，建立質(zhì)量保證和評(píng)價(jià)體系，加大力度，培養(yǎng)工程應(yīng)用方面的人才，相信在制造業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的今天，激光熔覆技術(shù)大有可為。

作者簡(jiǎn)介

張慶茂，男，工學(xué)博士，教授，廣東激光加工技術(shù)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合示范基地主任，廣東省光學(xué)學(xué)會(huì)激光加工專(zhuān)業(yè)委員會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)。

近年來(lái)，主持或參與了國(guó)家“九五”、廣東、廣州、吉林等省市、企業(yè)多項(xiàng)課題。主要的研究方向：激光加工過(guò)程的數(shù)值模擬；激光制備原位析出顆粒增強(qiáng)梯度功能金屬基復(fù)合材料強(qiáng)化、韌化機(jī)理的研究；基于高能激光束的關(guān)鍵金屬零件表面強(qiáng)化、修復(fù)技術(shù)；激光微加工系統(tǒng)集成與工藝技術(shù)的研究；非金屬材料的光束處理技術(shù)。先后在國(guó)內(nèi)外期刊和重要的學(xué)術(shù)會(huì)議發(fā)表研究論文近六十余篇。

第二篇：20081182098-激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用

激光熔覆技術(shù)在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用

激光熔覆技術(shù)可顯著改善金屬表面的耐磨、耐腐、耐熱水平及抗氧化性等。目前有關(guān)激光熔覆的研究主要集中在工藝開(kāi)發(fā)、熔覆層材料體系、激光熔覆的快速凝固組織及與基體的界面結(jié)合和性能測(cè)試等方面。

航空領(lǐng)域是關(guān)系到國(guó)家安全的重要領(lǐng)域，也是國(guó)家重點(diǎn)支持的戰(zhàn)略行業(yè)。如何將激光熔覆技術(shù)更好的運(yùn)用于我國(guó)的航空制造具有極為重要的戰(zhàn)略意義。航空材料是武器裝備研發(fā)與生產(chǎn)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和科技先導(dǎo)，強(qiáng)化航空材料基體硬度和耐磨性能對(duì)于航空材料的改進(jìn)具有極為重要的意義。如大功率激光器的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，為航空材料表面改性提供了新的手段，也為材料表面強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展開(kāi)辟了一條新的途徑。陶瓷材料具有金屬材料不可比擬的高硬度和高化學(xué)穩(wěn)定性，因此可以針對(duì)零件的不同服役條件，選擇合適的陶瓷材料，利用高能密度激光束加熱溫度高和加熱速度快的特點(diǎn)，在金屬材料（如鈦合金）表面熔覆一層陶瓷涂層，從而將陶瓷材料優(yōu)異的耐磨、耐蝕性能與金屬材料的高塑性、高韌性有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，可大幅度提高航空零件的使用壽命。

激光熔覆技術(shù)在飛機(jī)零件制造中的應(yīng)用

飛機(jī)機(jī)體和發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金構(gòu)件除了在工作狀態(tài)下承受載荷外，還會(huì)因發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)/停車(chē)循環(huán)形成熱疲勞載荷，在交變應(yīng)力和熱疲勞雙重作用下，產(chǎn)生不同程度的裂紋，嚴(yán)重影響機(jī)體或發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，甚至危及飛行安全。因此，需要研究航空鈦合金結(jié)構(gòu)的表面強(qiáng)化方式，發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)，使之得以更廣泛的應(yīng)用。

陶瓷分為氧化物陶瓷和碳化物陶瓷，氧化鋁、氧化鈦、氧化鈷、氧化鉻及其復(fù)合化合物是應(yīng)用廣泛的氧化物陶瓷，也是制備陶瓷涂層的主要材料。碳化物陶瓷難以單獨(dú)制備涂層，一般與具有鈷、鎳基的自熔合金制備成金屬陶瓷，該金屬陶瓷具有很高的硬度和優(yōu)異的高溫性能，可用作耐磨、耐擦傷、耐腐蝕涂層，常用的有碳化鎢、碳化鈦和碳化鉻等[7]。采用激光熔覆制備陶瓷涂層可先在材料表面添加過(guò)渡層材料（如NiCr、NiAl、NiCrAl、Mb等），然后用脈沖激光熔覆，使過(guò)渡層中的Ni、Cr合金與陶瓷中Al2O3、ZrO2等材料熔覆在基體的表面，形成多孔性，基體中的金屬分子也能擴(kuò)散到陶瓷層中，進(jìn)而改善涂層的結(jié)構(gòu)和性能。將陶瓷涂層激光熔覆用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片是一項(xiàng)很有應(yīng)用價(jià)值的高新技術(shù)，常用的激光熔覆材料見(jiàn)表1。

飛機(jī)制造中較多采用鈦合金，如Ti-6Al-4V鈦合金用于制造高強(qiáng)度/重量比率、耐熱、耐疲勞和耐腐蝕的零部件。但在這些鈦合金的加工制造中，傳統(tǒng)工藝方法有許多難以克服的弱點(diǎn)，如生產(chǎn)隔板是由數(shù)英寸厚和數(shù)十千克重的齒形合金板加工而成的，而獲得這些合金板成品需要一年以上。因?yàn)殡y以加工，加工這種零件需要花費(fèi)加工中心數(shù)百小時(shí)的工作量，磨損大量的刀具。而激光熔覆技術(shù)在這方面具有較大優(yōu)勢(shì)，可以強(qiáng)化鈦合金表面、減少制造時(shí)間。

激光熔覆是現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用潛力最大的表面改性技術(shù)之一，具有顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。20世紀(jì)80年代初，英國(guó)Rolls·Royce公司采用激光熔覆技術(shù)對(duì)RB211渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)殼體結(jié)合部位進(jìn)行硬面熔覆，取得了良好效果。表2所示是激光熔覆在航空制造中應(yīng)用的幾個(gè)實(shí)例。

近年來(lái)，美國(guó)AeroMet公司的研發(fā)有了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，他們生產(chǎn)的多個(gè)系列Ti-6Al-4V鈦合金激光熔覆成形零件已獲準(zhǔn)在實(shí)際飛行中使用。其中F-22戰(zhàn)機(jī)上的2個(gè)全尺寸接頭滿(mǎn)足疲勞壽命2倍的要求，F(xiàn)/A-18E/F的翼根吊環(huán)滿(mǎn)足疲勞壽命4倍的要求，而升降用的連接桿滿(mǎn)足飛行要求、壽命超出原技術(shù)要求30%[9]。采用激光熔覆技術(shù)表面強(qiáng)化制造的鈦合金零部件不僅性能上超出傳統(tǒng)工藝制造的零件，同時(shí)由于材料及加工的優(yōu)勢(shì)，生產(chǎn)成本降低20%～40%，生產(chǎn)周期也縮短了約80%。激光熔覆在航空零部件修復(fù)中的應(yīng)用

激光熔覆技術(shù)對(duì)飛機(jī)的修復(fù)產(chǎn)生了直接的影響，優(yōu)點(diǎn)包括修復(fù)工藝自動(dòng)化、低的熱應(yīng)力和熱變形等。由于人們期待飛機(jī)壽命不斷延長(zhǎng)，需要更加復(fù)雜的修復(fù)和檢修工藝。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、葉輪和轉(zhuǎn)動(dòng)空氣密封墊等零部件，可以通過(guò)表面激光熔覆強(qiáng)化得到修復(fù)。例如，用激光熔覆技術(shù)修復(fù)飛機(jī)零部件中裂紋，一些非穿透性裂紋通常發(fā)生在厚壁零部件中，裂紋深度無(wú)法直接測(cè)量，其他修復(fù)技術(shù)無(wú)法發(fā)揮作用?？刹捎眉す馊鄹布夹g(shù)，根據(jù)裂紋情況多次打磨、探傷，將裂紋逐步清除，打磨后的溝槽用激光熔覆添加粉末的多層熔覆工藝填平，即可重建損傷結(jié)構(gòu)，恢復(fù)其使用性能[10]。

激光熔覆發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片用到的基體材料和合金粉末見(jiàn)表3。用于熔覆的粉末粒子成球狀，尺寸小于150μm。不同合金粉末的熔覆層要選用不同的工藝參數(shù)，以獲得最佳的熔覆效果。

把受損渦輪葉片頂端修覆到原先的高度。激光熔覆過(guò)程中，激光束在葉片頂端形成很淺的熔深，同時(shí)金屬粉末沉積到葉片頂端形成焊道。在計(jì)算機(jī)數(shù)值控制下，焊道層疊使熔覆層增長(zhǎng)。與激光熔覆受損葉片不同的是，手工鎢極氬弧堆焊的葉片堆焊后的葉片必須進(jìn)行額外的后處理。葉片頂端要進(jìn)行精密加工以露出冷卻過(guò)程中形成的空隙，而激光熔覆省去了這些加工過(guò)程，大大縮減了時(shí)間和成本。

在航空領(lǐng)域，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的備件價(jià)格很高，因此在很多情況下備件維修是比較合算的。但是修復(fù)后零部件的質(zhì)量必須滿(mǎn)足飛行安全要求。例如，航空發(fā)動(dòng)機(jī)螺旋槳葉片表面出現(xiàn)損傷時(shí)，必須通過(guò)一些表面處理技術(shù)進(jìn)行修復(fù)。激光熔覆技術(shù)可以很好的用于飛機(jī)螺旋槳葉片激光三維表面熔覆修復(fù)。

圖1所示的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片是經(jīng)過(guò)激光修復(fù)的。熔覆材料（合金粉末）為Inconel 625（Cr-Ni-Fe 625合金粉末），葉片材料為Inconel 713。通過(guò)金相方法檢測(cè)熔覆層的截面可以發(fā)現(xiàn)，激光熔覆后在葉片基體材料和熔覆層之間形成了一個(gè)冶金結(jié)合的熔覆過(guò)渡區(qū)[11]。

激光熔覆可以強(qiáng)化材料表面的合金熔覆層、提升合金表面的力學(xué)和化學(xué)性能。堆焊合金粉末是較理想的激光熔覆材料，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。堆焊合金粉末可以在激光束照射下快速地熔化，而后熔覆在航空零部件的表面。這個(gè)過(guò)程可以采用預(yù)置涂層法，預(yù)置材料可以是絲材、板材、粉末等，最常用的材料為合金粉末。激光熔覆先將熔覆材料預(yù)置于基體表面的待熔覆部分，然后用激光束掃描熔化熔覆材料和基體表面來(lái)實(shí)現(xiàn)表面強(qiáng)化。

熔覆區(qū)在激光束和送粉系統(tǒng)的作用下形成，基體材料和合金粉末決定了表面熔覆層的性質(zhì)。激光直接照射在基體表面形成了一個(gè)熔池，同時(shí)合金粉末被送到熔池表面。氬氣在激光熔覆的過(guò)程中也被送入熔池處以防止基體表面發(fā)生氧化。形成的熔池在基體表面，如果合金粉末和基體表面都是固態(tài)，合金粉末粒子接觸到基體表面時(shí)會(huì)被彈出，不會(huì)黏著在基體表面發(fā)生熔覆；如果基體表面是熔池狀態(tài)，合金粉末粒子在接觸到基體表面時(shí)就會(huì)被黏著，同時(shí)在激光束作用下發(fā)生激光熔覆現(xiàn)象，形成熔覆帶。圖2所示是用激光熔覆技術(shù)修復(fù)的渦輪葉片。

激光熔覆層的耐磨性與硬度成正比。熔覆層的硬度、耐磨性、耐腐蝕性和抗疲勞性能一般難以兼顧。通過(guò)激光熔覆工藝可以改善基體表層的顯微組織和化學(xué)成分。

激光熔覆工藝與鎢極氬弧焊（TIG）熔覆工藝相比有很大的優(yōu)勢(shì)。激光熔覆層的性質(zhì)取決于熔覆合金元素的比例。為了達(dá)到最好的預(yù)期效果，須盡可能地避免基體材料的稀釋作用，因?yàn)槿鄹矊拥挠捕群突w材料的稀釋成反比。在Inconel 792合金表面，分別采用激光熔覆和鎢極氬弧焊熔覆Rene142合金粉末，顯微硬度的比較如圖3所示。

從圖3中可見(jiàn)，激光熔覆產(chǎn)生的強(qiáng)化表層硬度比鎢極氬弧焊熔覆的表面硬度要高，其原因在于激光熔覆層的高凝固速度以及在溶池中產(chǎn)生的強(qiáng)對(duì)流效應(yīng)。因此，激光熔覆技術(shù)相對(duì)鎢極氬弧焊熔覆在航空領(lǐng)域更具有應(yīng)用價(jià)值。

相關(guān)資料表明，采用激光熔覆技術(shù)修復(fù)后的航空部件強(qiáng)度可達(dá)到原強(qiáng)度的90％以上，更重要的是縮短了修復(fù)時(shí)間，解決了重要裝備連續(xù)可靠運(yùn)行所必須解決的轉(zhuǎn)動(dòng)部件快速搶修難題。

激光熔覆在航空材料表面改性中的應(yīng)用

激光熔覆高硬度、耐磨和耐高溫涂層

為了防止在高速、高溫、高壓和腐蝕環(huán)境下工作的零部件因表面局部損壞而報(bào)廢，提高零部件的使用壽命，世界各國(guó)都在致力于研發(fā)各種提高零件表面性能的技術(shù)[12]。傳統(tǒng)的表面改性技術(shù)（如噴涂、噴鍍、堆焊等）由于層間結(jié)合力差和受固態(tài)擴(kuò)散差的限制，應(yīng)用效果并不理想。大功率激光器和寬帶掃描裝置的出現(xiàn)，為材料表面改性提供了一種新的有效手段。激光熔覆是經(jīng)濟(jì)效益高的新型表面改性技術(shù)，它可以在廉價(jià)、低性能基材上制備出高性能的熔覆層，從而降低材料成本，節(jié)約貴重的稀有金屬，提高金屬零件的使用壽命[13]。

現(xiàn)代飛機(jī)制造中大量使用鈦合金和鋁合金，例如美國(guó)的第四代戰(zhàn)機(jī)F-22機(jī)體鈦合金的使用量已達(dá)到41%，而美國(guó)先進(jìn)的V2500發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金的用量也達(dá)到了30%左右。鈦及鈦合金具有高比強(qiáng)度、優(yōu)良的耐腐蝕、良好的耐高溫性能，可以減輕機(jī)體重量、提高推重比。鈦合金的缺點(diǎn)是硬度低、耐磨性差。純鈦的硬度為150～200HV，鈦合金通常不超過(guò)350HV。在很多情況下，由于鈦及鈦合金表面會(huì)生成一層致密的氧化膜從而起到防腐蝕的作用，但是在氧化膜破裂、環(huán)境惡劣或發(fā)生縫隙腐蝕時(shí)，鈦合金的耐腐蝕性能將大大降低。

2000年首飛的美國(guó)F-35戰(zhàn)機(jī)上鋁合金總用量在30%以上[14]。但是鋁合金的強(qiáng)度不夠高，使用時(shí)易生產(chǎn)塑性變形，特別是鋁合金表面硬度低、耐磨性很差，在某種程度上制約了它的應(yīng)用。

經(jīng)過(guò)激光熔覆的鈦合金表面顯微硬度為800-3000HV。用激光熔覆技術(shù)對(duì)鋁合金表面進(jìn)行表面強(qiáng)化是解決鋁合金表面耐磨性差、易塑性變形等問(wèn)題的有效方法。與其他表面強(qiáng)化方法相比，該方法強(qiáng)化層與鋁基體之間具有冶金結(jié)合特點(diǎn)，結(jié)合強(qiáng)度高。熔覆層的厚度達(dá)到1～3mm，組織非常細(xì)小，熔覆層的硬度高、耐磨性好，并具有較強(qiáng)的承載能力，從而避免了軟基體與強(qiáng)化層之間應(yīng)變不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生裂紋。另外，在鈦合金、鋁合金表面熔覆高性能的陶瓷涂層，材料的耐磨性、耐高溫性能等可以得到大幅度提高。

激光熔覆獲得熱障涂層

近年來(lái)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪機(jī)向高流量比、高推重比、高進(jìn)口溫度的方向發(fā)展，燃燒室的燃?xì)鉁囟群腿細(xì)鈮毫Σ粩嗵岣?，例如軍用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度已達(dá)1800℃，燃燒室溫度達(dá)到2000℃～2200℃，這樣高的溫度已超過(guò)現(xiàn)有高溫合金的熔點(diǎn)。除了改進(jìn)冷卻技術(shù)外，在高溫合金熱端部件表面制備熱障涂層（Thermal Bamer Coating，TBCs）也是很有效的手段，它可達(dá)到1700℃或更高的隔熱效果，以滿(mǎn)足高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)降低溫度梯度、熱誘導(dǎo)應(yīng)力和基體材料服役穩(wěn)定性的要求[15-16]。20世紀(jì)70年代陶瓷熱障涂層（TBCs）被成功用于J-75型燃?xì)廨啓C(jī)葉片，世界各國(guó)投入巨資對(duì)其從材料到制備工藝展開(kāi)了深入的研究。

20世紀(jì)80年代以來(lái)，在材料表面激光熔覆陶瓷層獲得了致密的柱體晶組織，提高了應(yīng)變?nèi)菹?；致密、均勻的激光重熔組織以及較低的氣孔率可降低粘結(jié)層的氧化率，阻止腐蝕介質(zhì)的滲透?？衫么蠊β始す馄髦苯虞椛涮沾苫蚪饘俜勰瑢⑵淙刍笤诮饘俦砻嫘纬梢苯鸾Y(jié)合，得到垂直于表面的柱狀晶組織。由于熔覆層凝固的次序由表到里，表層組織相對(duì)細(xì)小，這樣的結(jié)構(gòu)有利于緩和熱應(yīng)力，例如用激光熔敷方法得到了8%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯（YPSZ）熱障涂層。也可將混合均勻的粉末置于基體上，利用大功率激光器輻射混合粉末，通過(guò)調(diào)節(jié)激光功率、光斑尺寸和掃描速度使粉末熔化良好、形成熔池，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步通過(guò)改變成分向熔池中不斷加入合金粉末，重復(fù)上述過(guò)程，即可獲得梯度涂層。

關(guān)鍵部件表面通過(guò)激光熔覆超耐磨抗蝕合金，可以在零部件表面不變形的情況下提高零部件的使用壽命、縮短制造周期。激光熔覆生產(chǎn)的熱障涂層有良好的隔熱效果，可以滿(mǎn)足高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)降低溫度梯度、熱誘導(dǎo)應(yīng)力和基體材料服役穩(wěn)定的要求。

結(jié)束語(yǔ)

激光熔覆技術(shù)對(duì)航空工業(yè)的發(fā)展有著舉足輕重的作用。激光熔覆技術(shù)可以提高飛機(jī)零部件表面的硬度、耐磨性、耐腐蝕和抗疲勞等性能,提高材料的使用壽命，還可以用于磨損零部件的修復(fù)處理,節(jié)約加工成本。激光溶覆技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)零部件的制造,可以減少工件制造工序、提高零部件質(zhì)量。隨著當(dāng)今科技的進(jìn)步，飛機(jī)整體性能將進(jìn)一步提高，對(duì)材料的要求也越來(lái)越高。激光熔覆技術(shù)的進(jìn)一步完善和發(fā)展對(duì)航空業(yè)的技術(shù)進(jìn)步具有重要的作用，航空材料將隨著激光熔覆技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)嶄新的面貌。

第三篇：激光熔覆技術(shù)研究的論文

介紹了激光熔覆技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用、設(shè)備及工藝特點(diǎn)，簡(jiǎn)述了激光熔覆技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，指出了激光表面改性技術(shù)存在的問(wèn)題，展望了激光熔覆技術(shù)的發(fā)展前景。

0引言

激光熔覆技術(shù)是20世紀(jì)70年代隨著大功率激光器的發(fā)展而興起的一種新的表面改性技術(shù)，是指激光表面熔敷技術(shù)是在激光束作用下將合金粉末或陶瓷粉末與基體表面迅速加熱并熔化,光束移開(kāi)后自激冷卻形成稀釋率極低,與基體材料呈冶金結(jié)合的表面涂層,從而顯著改善基體表面耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性等的一種表面強(qiáng)化方法[1~3]。如對(duì)60#鋼進(jìn)行碳鎢激光熔覆后，硬度最高達(dá)2200HV以上，耐磨損性能為基體60#鋼的20倍左右。在Q235鋼表面激光熔覆CoCrSiB合金后，將其耐磨性與火焰噴涂的耐蝕性進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)前者的耐蝕性明顯高于后者[4]。

激光熔覆技術(shù)是一種經(jīng)濟(jì)效益很高的新技術(shù),它可以在廉價(jià)金屬基材上制備出高性能的合金表面而不影響基體的性質(zhì)，降低成本,節(jié)約貴重稀有金屬材料，因此,世界上各工業(yè)先進(jìn)國(guó)家對(duì)激光熔覆技術(shù)的研究及應(yīng)用都非常重視[1-2、5-7]。

1激光熔覆技術(shù)的設(shè)備及工藝特點(diǎn)

目前應(yīng)用于激光熔覆的激光器主要有輸出功率為1~10kW的CO2激光器和500W左右的YAG激光器。對(duì)于連續(xù)CO2激光熔覆,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已做了大量研究[1]。近年來(lái)高功率YAG激光器的研制發(fā)展迅速,主要用于有色合金表面改性。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,采用CO2激光進(jìn)行鋁合金激光熔覆,鋁合金基體在CO2激光輻照條件下容易變形,甚至塌陷[1]。YAG激光器輸出波長(zhǎng)為1.06μm,較CO2激光波長(zhǎng)小1個(gè)數(shù)量級(jí),因而更適合此類(lèi)金屬的激光熔覆。

同步注粉式激光表面熔覆處理示意圖[8]

激光熔覆按送粉工藝的不同可分為兩類(lèi):粉末預(yù)置法和同步送粉法。兩種方法效果相似,同步送粉法具有易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制,激光能量吸收率高,無(wú)內(nèi)部氣孔,尤其熔覆金屬陶瓷,可以顯著提高熔覆層的抗開(kāi)裂性能,使硬質(zhì)陶瓷相可以在熔覆層內(nèi)均勻分布等優(yōu)點(diǎn)。

激光熔覆具有以下特點(diǎn)[2、9]：

(1)冷卻速度快(高達(dá)106K/s),屬于快速凝固過(guò)程,容易得到細(xì)晶組織或產(chǎn)生平衡態(tài)所無(wú)法得到的新相,如非穩(wěn)相、非晶態(tài)等。

(2)涂層稀釋率低(一般小于5%),與基體呈牢固的冶金結(jié)合或界面擴(kuò)散結(jié)合，通過(guò)對(duì)激光工藝參數(shù)的調(diào)整,可以獲得低稀釋率的良好涂層,并且涂層成分和稀釋度可控;

(3)熱輸入和畸變較小,尤其是采用高功率密度快速熔覆時(shí),變形可降低到零件的裝配公差內(nèi)。

(4)粉末選擇幾乎沒(méi)有任何限制,特別是在低熔點(diǎn)金屬表面熔敷高熔點(diǎn)合金;

(5)熔覆層的厚度范圍大,單道送粉一次涂覆厚度在0.2~2.0mm,(6)能進(jìn)行選區(qū)熔敷,材料消耗少,具有卓越的性能價(jià)格比;

(7)光束瞄準(zhǔn)可以使難以接近的區(qū)域熔敷;

(8)工藝過(guò)程易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

很適合油田常見(jiàn)易損件的磨損修復(fù)。

2激光熔覆技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

激光熔覆技術(shù)是—種涉及光、機(jī)、電、計(jì)算機(jī)、材料、物理、化學(xué)等多門(mén)學(xué)科的跨學(xué)科高新技術(shù)。它由上個(gè)世紀(jì)60年代提出,并于1976年誕生了第一項(xiàng)論述高能激光熔覆的專(zhuān)利。進(jìn)入80年代,激光熔覆技術(shù)得到了迅速的發(fā)展,近年來(lái)結(jié)合CAD技術(shù)興起的快速原型加工技術(shù),為激光熔覆技術(shù)又添了新的活力。

目前已成功開(kāi)展了在不銹鋼、模具鋼、可鍛鑄鐵、灰口鑄鐵、銅合金、鈦合金、鋁合金及特殊合金表面鈷基、鎳基、鐵基等自熔合金粉末及陶瓷相的激光熔覆。激光熔覆鐵基合金粉末適用于要求局部耐磨而且容易變形的零件。鎳基合金粉末適用于要求局部耐磨、耐熱腐蝕及抗熱疲勞的構(gòu)件。鈷基合金粉末適用于要求耐磨、耐蝕及抗熱疲勞的零件。陶瓷涂層在高溫下有較高的強(qiáng)度,熱穩(wěn)定性好,化學(xué)穩(wěn)定性高,適用于要求耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化性的零件。在滑動(dòng)磨損、沖擊磨損和磨粒磨損嚴(yán)重的條件下,純的鎳基、鈷基和鐵基合金粉末已經(jīng)滿(mǎn)足不了使用工況的要求,因此在合金表面激光熔覆金屬陶瓷復(fù)合涂層已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn),目前已經(jīng)進(jìn)行了鋼、鈦合金及鋁合金表面激光熔覆多種陶瓷或金屬陶瓷涂層的研究[1、10]。

3激光熔覆存在的問(wèn)題

評(píng)價(jià)激光熔覆層質(zhì)量的優(yōu)劣,主要從兩個(gè)方面來(lái)考慮。一是宏觀(guān)上,考察熔覆道形狀、表面不平度、裂紋、氣孔及稀釋率等;二是微觀(guān)上,考察是否形成良好的組織,能否提供所要求的性能。此外,還應(yīng)測(cè)定表面熔覆層化學(xué)元素的種類(lèi)和分布,注意分析過(guò)渡層的情況是否為冶金結(jié)合,必要時(shí)要進(jìn)行質(zhì)量壽命檢測(cè)。

目前研究工作的重點(diǎn)是熔覆設(shè)備的研制與開(kāi)發(fā)、熔池動(dòng)力學(xué)、合金成分的設(shè)計(jì)、裂紋的形成、擴(kuò)展和控制方法、以及熔覆層與基體之間的結(jié)合力等。

目前激光熔敷技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用面臨的主要問(wèn)題是:

①激光熔覆技術(shù)在國(guó)內(nèi)尚未完全實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的主要原因是熔覆層質(zhì)量的不穩(wěn)定性。激光熔覆過(guò)程中,加熱和冷卻的速度極快,最高速度可達(dá)1012℃/s。由于熔覆層和基體材料的溫度梯度和熱膨脹系數(shù)的差異,可能在熔覆層中產(chǎn)生多種缺陷,主要包括氣孔、裂紋、變形和表面不平度[1]。

②光熔敷過(guò)程的檢測(cè)和實(shí)施自動(dòng)化控制。

③激光熔覆層的開(kāi)裂敏感性，仍然是困擾國(guó)內(nèi)外研究者的一個(gè)難題，也是工程應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化的障礙[1、11]。目前，雖然已經(jīng)對(duì)裂紋的形成擴(kuò)進(jìn)行了研究[1]，但控制方法方面還不成熟。

4激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展前景展望

進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來(lái),激光熔敷技術(shù)得到了迅速的發(fā)展,目前已成為國(guó)內(nèi)外激光表面改性研究的熱點(diǎn)。激光熔敷技術(shù)具有很大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益,廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造與維修、汽車(chē)制造、紡織機(jī)械、航海[12]與航天和石油化工等領(lǐng)域。

目前激光熔覆技術(shù)已經(jīng)取得一定的成果,正處于逐步走向工業(yè)化應(yīng)用的起步階段。今后的發(fā)展前景主要有以下幾個(gè)方面:

(1)激光熔覆的基礎(chǔ)理論研究。

(2)熔覆材料的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。

(3)激光熔覆設(shè)備的改進(jìn)與研制。

(4)理論模型的建立。

(5)激光熔覆的快速成型技術(shù)。

(6)熔覆過(guò)程控制的自動(dòng)化。

第四篇：激光技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用與研究進(jìn)展講解

激光技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用與研究進(jìn)展(廣東 **大學(xué) 理學(xué)院,廣東

【摘要】 自 1960年第一臺(tái)紅寶石激光器問(wèn)世以來(lái),激光器和激光放大器的發(fā)展 非常迅速。激光工作物質(zhì)已包括晶體、玻璃、光纖、氣體、半導(dǎo)體、液體及自由電 子等數(shù)百種之多。激光器誕生后 , 以激光器為基礎(chǔ)的激光技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用 , 對(duì) 軍事、經(jīng)濟(jì)、工農(nóng)業(yè)產(chǎn)生了很大的影響 , 取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。本文簡(jiǎn) 單的列出了激光在在多個(gè)方面和領(lǐng)域的應(yīng)用和激光現(xiàn)在的發(fā)展技術(shù)。隨著激光技術(shù) 的不斷發(fā)展和成熟,必將對(duì)我們的生活生產(chǎn)和科技起到不可估量的作用。

【關(guān)鍵詞】 激光技術(shù) 激光應(yīng)用 激光進(jìn)展 激光通信 激光醫(yī)學(xué) 激光工程

一、引言

激光原理發(fā)現(xiàn)和激光器的誕生是 20 世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的一項(xiàng)重大成就。是與原子 能、半導(dǎo)體、算機(jī)齊名的四項(xiàng)重大發(fā)明之一。激光的發(fā)明 , 是光學(xué)發(fā)展并與其他科 學(xué)技術(shù)領(lǐng)域緊密結(jié)合和相互滲透的產(chǎn)物。激光的出現(xiàn)不但引起了光學(xué)革命性的發(fā)展, 沖擊了整個(gè)物理學(xué),并且對(duì)其它學(xué)科如化學(xué)、生物學(xué)和技術(shù)及應(yīng)用學(xué)科如電機(jī)工程 學(xué)、材料科學(xué)、通信、醫(yī)學(xué)等都產(chǎn)生了巨大的影響。

二、激光在通信領(lǐng)域的應(yīng)用與研究進(jìn)展

激光通信依傳輸介質(zhì)的不同,分為四種:光纖通信、大氣通信、空間通信、水 下通信。

激光器在通信領(lǐng)域的應(yīng)用 , 發(fā)展了光纖通信業(yè) , 光纖通信在軍、民用方面都得到 快速發(fā)展,它可工作在幾十兆赫的短波、超短波波段,也可工作在微波波段一改過(guò) 去通信容量有限的面貌?；?MEMS 技術(shù)的波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器被認(rèn)為是光纖接入網(wǎng)的 最佳選擇 【 1】 ,因其具有快速、低功耗、大調(diào)節(jié)范圍的優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)已逐步得到國(guó)內(nèi)各重 要光通信研究機(jī)構(gòu)的認(rèn)同和追逐 【 2】。數(shù)字光纖通信用激光器代替模擬光纖通信用激 光器, 通過(guò)溫度控制、預(yù)失真補(bǔ)償電路等線(xiàn)性補(bǔ)償方法, 以及在輸入

端采用 AGC、固 定衰減器等動(dòng)態(tài)范圍補(bǔ)償?shù)姆椒?使數(shù)字光纖通信用激光器在線(xiàn)性度以及動(dòng)態(tài)范圍 兩方面得到很大的提高,達(dá)到模擬光纖通信用激光器的水平,可以應(yīng)用于短波、超 短波以及微波波段的模擬光纖通信中 【 3】。

大氣激光通信是以大氣作為傳輸介質(zhì)的通信,是激光出現(xiàn)后最先研制的一種通 信方式。雖然大氣的吸收、色散使得利用激光在地面上通信具有某種界限,但是目 前已利用氣體激光器制造出能在良好氣候的晚上傳輸信息達(dá)幾百公里,在良好氣候 的白天傳輸信息達(dá)幾十公里的設(shè)備。光通信不但可以傳送電話(huà), 而且可以傳送數(shù)據(jù)、傳真、電視和可視電話(huà)等。現(xiàn)在研究工作主要集中在增大通信距離,提高全天候性 能和傳輸速率以及實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信等方面 【 4】。21世紀(jì)是光電技術(shù)突飛猛進(jìn)的年代, 大氣激光通信技術(shù)勢(shì)必將有較大的提高和發(fā)展,尤其是在電磁頻譜復(fù)雜,電子干擾 日益強(qiáng)烈的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境,光通信顯得尤為重要。因此研究和發(fā)展激光通信,加大通信 距離,實(shí)現(xiàn)全天候移動(dòng)通信,是電子對(duì)抗和通信對(duì)抗的需要,也是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì) 之一。

自由空間激光通信是利用激光作為載體在外空間進(jìn)行高速率、大容量、高保密

性能的空問(wèn)通信。其中包括深空、同步軌道、低軌道、中軌道衛(wèi)星問(wèn)的光通信,有 GEO(geosyn— chronous earth orbit, GEO 一 GEO、GEO — LEO(10w— earth orbit, LEO、LEO — LEO、LEO 一地面等多種形式,同時(shí)還包括衛(wèi)星與地面站之間的通信 ?。空間機(jī)群指揮也是空間光通信的軍事應(yīng)用目標(biāo)。由于不受大氣粒子的影響,又具有 無(wú)損耗、無(wú)干擾、成本低、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn),空間衛(wèi)星光通信受到了相當(dāng)?shù)?關(guān)注 【 5】?？臻g激光通信系統(tǒng)從功能上分為通信分系統(tǒng)和捕獲、跟蹤、對(duì)準(zhǔn)(ATP分系 統(tǒng)。通信分系統(tǒng)除實(shí)現(xiàn)高速率、高功率發(fā)射和寬帶高靈敏度接收外,還將通信 束散角以非常狹窄的光束發(fā)射(近衍射極限,一般為十幾微弧度量級(jí)。這是使空間 激光通信具有遠(yuǎn)距離、輕小型、高速率通信能力的基礎(chǔ) 【 6】?？臻g激光通信系統(tǒng)經(jīng)過(guò)近20年的快速發(fā)展.系統(tǒng)中的諸多關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)取得了突破。目前,國(guó)際上已經(jīng)成 功開(kāi)展了多個(gè)鏈路的演示驗(yàn)證, 但是距離實(shí)際 T 程應(yīng)用尚有距離。一方面是其丁程性、成熟度、可靠性還需要進(jìn)一步提高.另一方面

是其通信速率尚沒(méi)有充分發(fā)揮光通信 的技術(shù)優(yōu)勢(shì).還需要不斷提高以滿(mǎn)足現(xiàn)代信息化的需求。

隨著高新技術(shù)的發(fā)展,水下捕撈、探測(cè)、控制等的需要,逐漸形成了水下通信 這一個(gè)特殊的應(yīng)用領(lǐng)域。由于海水對(duì)頻率較高的電磁波的強(qiáng)吸收作用,電磁波在水 中的能量衰減很?chē)?yán)重,幾乎無(wú)法穿過(guò)海水傳播,以致造成了傳統(tǒng)電波在水下通信應(yīng) 用中的無(wú)效性。激光器的發(fā)明和應(yīng)用促進(jìn)了光通信的發(fā)展, 更為水下 光通信帶來(lái)了 福音,因此對(duì)具有高數(shù)據(jù)傳輸速率、優(yōu)良的保密性和抗干擾性的水下通信研究有重 大的戰(zhàn)略意義。美國(guó)在多次海上激光對(duì)潛通信試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,開(kāi)展了星載對(duì)潛通信 的全面論證,計(jì)劃采用裝有大功率固體激光器的離地面僅有幾百千米的廉價(jià)、低軌 道衛(wèi)星, 代替先前計(jì)劃采用的地球同步衛(wèi)星, 以開(kāi)展雙工衛(wèi)星-潛艇激光通信系統(tǒng)的

研究 【 7】。

三、激光在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用與研究進(jìn)展

激光是一方向性強(qiáng), 單色性能好和能高度集中的相干光束, 利用透鏡能聚焦成 非常小的光點(diǎn),在光點(diǎn)上其能量密度非常高,并且可以在幾個(gè)微秒或幾個(gè)毫秒之內(nèi) 發(fā)生作用,激光的光點(diǎn)經(jīng)聚焦以后其直徑可達(dá)幾十個(gè)微米,因而在治療時(shí)可以精確 地選擇病變部位 【 8】。激光以其特有的優(yōu)越性能解決了許多傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的難題。激光治 療最早應(yīng)用于眼科,對(duì)視網(wǎng)膜剝離、眼底血管

病變、虹膜切開(kāi)、青光眼等一大批眼科疾患均能用激光治療。激光手術(shù)刀具有術(shù)中 出血少, 可減少細(xì)菌感染等優(yōu)點(diǎn)。激光與中醫(yī)針灸術(shù)結(jié)合而形成的 “光針” , 對(duì)鎮(zhèn)痛、哮喘、遺尿、高血壓等有一定療效。激光技術(shù)為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)提供了一種“神力” ,能夠 治療內(nèi)科、外科、眼科、皮膚、腫瘤和耳鼻喉科的 100多種疾病 【 9】。

低強(qiáng)度醫(yī)用激光器利用光生物調(diào)節(jié)作用(photobiomodulation, PBM 調(diào)節(jié)細(xì)胞、器官或組織的功能。PBM 是低強(qiáng)度單色光或激光(10w intensity monochromatic lightor laser irradiation , LIL 對(duì)生物系統(tǒng)的一種非損傷非熱的光化學(xué)調(diào)節(jié)作用。與

分子發(fā)生共振作用的激光波長(zhǎng)稱(chēng)為分子的特征波長(zhǎng)。內(nèi)源性光敏劑的特征波長(zhǎng)在 可見(jiàn)光區(qū)域。細(xì)胞膜蛋白的特征波長(zhǎng)比長(zhǎng)波紫外(320~400nm(ultraviolet A.UVA 短。uL 作用對(duì)象的基本單位是細(xì)胞, 介導(dǎo)細(xì)胞 PBM 有兩條通路:內(nèi)源性光敏劑介導(dǎo) PBM 的特異性通路,主要通過(guò)適量活性氧(reactive oxygenspecies , ROS 進(jìn)行調(diào)節(jié);細(xì) 胞膜上蛋白質(zhì)分子介導(dǎo) PBM 的非特異性通路,主要通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和基因表達(dá)進(jìn)行調(diào) 節(jié),服從 PBM 的生物信息模型。

高強(qiáng)度醫(yī)用激光器利用高強(qiáng)度激光(tugh intensity laserirradiation.HIL 的光熱效應(yīng)、沖擊波和光聲效應(yīng)等進(jìn)行手術(shù)。HIL 手術(shù)和 PBM 在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用幾乎總 是各自獨(dú)立發(fā)展。HIL 光束中心強(qiáng)度非常高,可能損傷損傷半徑以?xún)?nèi)的細(xì)胞,但光束在損傷半徑以外的平均強(qiáng)度屬于低強(qiáng)度范圍,可以對(duì)損傷半徑以外的細(xì)胞產(chǎn)生 PBM。HIL 光束損傷半徑以 外的部分對(duì)沒(méi)有損傷的細(xì)胞所產(chǎn)生的 PBM 可以簡(jiǎn)單地稱(chēng)為高強(qiáng)度激光生物調(diào)節(jié)作用(HILbiomodulation, HBM。所以 HIL 光束在損傷半徑以?xún)?nèi)可以切除組織;損傷半徑 以外的 HBM 依賴(lài)于 HIL 在損傷半徑以外的平均劑量,可促進(jìn)剩余器官的生長(zhǎng)乃至恢復(fù) 器官的正常功能,或抑制剩余組織的生長(zhǎng) 【 10】。

四、激光在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用與研究進(jìn)展

激光因具有單色性、相干性、和平行性三大優(yōu)點(diǎn),將此應(yīng)用于材料加工,形成 一門(mén)新型的加工工業(yè)——激光工業(yè)。激光的空間控制性和時(shí)間控制性很好,對(duì)加工 對(duì)象的材質(zhì)、形狀、尺寸和加工環(huán)境的自由度都很大,與計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)相結(jié)合, 可構(gòu)成高效自動(dòng)化加工設(shè)備。廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、電子、電器、航空、冶金、機(jī)械制 造等重要部門(mén),對(duì)提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)

量、自動(dòng)化、無(wú)污染、減少材料消耗等起重要作用 【 11】。經(jīng)過(guò)不斷的研究開(kāi)發(fā),激光 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于切削加工、焊接、表面工程技術(shù)、非金屬材料和硬質(zhì)合金加工等方 面。

激光熔覆是通過(guò)在基材表面添加熔覆材料,并利用高能密度激光束輻照加熱, 使熔覆材料和基材表面薄層發(fā)生熔化,并快速凝固,從而在基材表面形成與其為冶 金結(jié)合的添料熔覆層田。激光熔覆具有如下優(yōu)點(diǎn):激光束的能量密度高,加熱速度 快,對(duì)基材的熱影響較小,引起工件的變形小;控制激光的輸入能量,可將基材的

稀釋作用限制在極低的程度(一般為2％～8％，從而保持了原熔覆材料的優(yōu)異性能； 激光熔覆層與基材之間結(jié)合牢固(冶金結(jié)合，且熔覆層組織細(xì)小。這些特點(diǎn)使得激 光熔覆技術(shù)近十年來(lái)在材料表面改性方面受到高度的重視 【12】。激光堆焊可以獲得高性能(如耐磨性、耐腐蝕性能、抗氧化性能、熱障性能等 的合金堆焊層，而且具有激光堆焊層與基體的結(jié)合為冶金結(jié)合，組織極細(xì)，覆層成 分及稀釋率可控，覆層厚度大，熱變形小，易實(shí)現(xiàn)選區(qū)堆焊，工藝過(guò)程易實(shí)現(xiàn)自動(dòng) 化等特點(diǎn)。因此激光堆焊技術(shù)在材料的表面處理方面倍受關(guān)注，并在工業(yè)易損件修 復(fù)、雙金屬零件的制造等方面應(yīng)用上已經(jīng)取得了一定的成果。激光堆焊材料的成分 直接決定了堆焊層的使用性能，為了適應(yīng)復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境，人們研究出了多種成分、多種形態(tài)的堆焊材料。目前常用的堆焊材料為鐵基合金、鈷基合金、鎳基合金。它 們共同的特點(diǎn)是較低的應(yīng)力磨粒磨損能力，優(yōu)良的耐磨蝕、耐熱和抗高溫氧化性能。其中鐵基合金不僅因其價(jià)格低廉、而且由于通過(guò)調(diào)整成分、組織?？梢栽诤艽蠓秶?內(nèi)改變堆焊層的強(qiáng)度、硬度、韌性、耐磨、耐蝕、耐熱和抗沖擊性。是應(yīng)用最為廣。泛的一種堆焊合金【13】 激光對(duì)金屬材料的表面處理，是近十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)。無(wú)論是對(duì)黑 色金屬還是有色金屬，在實(shí)踐的應(yīng)用中它都顯示了獨(dú)特的優(yōu)越性，并在工業(yè)生產(chǎn)上 得到了廣泛的應(yīng)用。用激光處理金屬，一般是以一定模式的激光光束對(duì)準(zhǔn)工件需處 理的部位，由工件隨工作臺(tái)的移動(dòng)（轉(zhuǎn)動(dòng)或平移）來(lái)實(shí)現(xiàn)激光掃描。為防止表面氧 化及等離子體的生成，常采用惰性氣體保護(hù)系統(tǒng)，一般工件的處理均為空冷，有些 特殊要求件也可采用液氮冷卻 【14】。由于激光加工顯示出明顯的質(zhì)量和效益上的優(yōu)越 性，使其應(yīng)用得到迅速發(fā)展。6 激光打標(biāo)可以按激光與材料作用的方式分為表面打標(biāo)(如雕刻和材料轉(zhuǎn)化(如 漂白。激光表面打標(biāo)作為較早的一種方法，它是利用蒸發(fā)或燒蝕材料表面的一個(gè)淺

層來(lái)產(chǎn)生所需的標(biāo)記。近年來(lái)，越來(lái)越盛行在塑料的亞表面打標(biāo)。這種方法通常添 加某種敏感的顏料，激光經(jīng)光化學(xué)作用改變塑料或所加顏料的顏色 【15】。未來(lái)的世紀(jì)，激光技術(shù)的新應(yīng)用將不斷使奇跡變得平凡，激光發(fā)展的歷史證 明了這一點(diǎn)。激光技術(shù)將更深人地與人類(lèi)的發(fā)展相聯(lián)系，她會(huì)默默地服務(wù)于我們的 生活而不為我們所感知。參考文獻(xiàn)： 【1】 牛燕煒，朱守正，陳燕仙，等.MEMS 開(kāi)關(guān)可重構(gòu)矩形縫隙環(huán)天線(xiàn)的設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù) 2008(12：55-60.【2】 蘇福根，金經(jīng)莉.光纖通信中的 MEMS 外腔可調(diào)諧激光器技術(shù) 【J】.通信技術(shù)，2009，42（7）：393-396.【3】 王景國(guó)，曾奕衡.數(shù)字激光器在模擬光纖通信中的應(yīng)用【J】.光纖與電纜及 其應(yīng)用技術(shù)，2008（1）：38-40.【4】 王海先.大氣中的激光通信技術(shù) 【J】.紅外與激光工程，2001，（1）45-49.30 ： 【5】 陳婭冰，趙尚弘，朱蕊蘋(píng)，等.自由空間衛(wèi)星激光通信【J】.系統(tǒng)工程與電 子技術(shù)，2003，25（9）：1173-1175.【6】 佟首峰，姜會(huì)林，張立中.高速率空間激光通信系統(tǒng)及其應(yīng)用【J】.紅外與 激光工程，2010，39（4）:649-654.【7】 鄧小芳，周勝源，林基明.水下光通信系統(tǒng)的建模與仿真【J】.光通信技術(shù)，7 2009，33（6）：41-42.【8】 朱菁.激光醫(yī)學(xué)【M】.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2003.【9】 王曉敏，陳培昕，李怡勇.激光在臨床醫(yī)學(xué)中的若干應(yīng)用與進(jìn)展【J】.醫(yī)療設(shè) 備信息，2006，21（6）：42-44.【10】 劉承宜，劉江，張燕，等.激光醫(yī)學(xué)原理與醫(yī)用激光器【J】.激光與光電子 進(jìn)展，2006，43（9）：31-35.【11】 戴波.激光技術(shù)與工業(yè)應(yīng)用【J】.裝備制造技術(shù)，2009（2）：127-128.。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,建立了激光醫(yī)療產(chǎn)業(yè), 【12】 劉錄錄，孫榮祿.激光熔覆技術(shù)及工業(yè)應(yīng)用研究進(jìn)展 【J】.熱加工工藝，2007，36（11）：58-60.【13】 王小范，姚建華，張群莉.激光表面堆焊技術(shù)的應(yīng)用及展望【J】.兵器材料 科學(xué)與工程，2005，28（4: 67-70.【14】姚建華，蘇寶蓉.金屬表面激光處理技術(shù)及其工業(yè)應(yīng)用【J】.電力機(jī)車(chē)技術(shù)，2002，25（5）：28-30.【15】蘇紅新.激光打標(biāo)的應(yīng)用趨勢(shì)【J】.光電子技術(shù)與信息，1998,11(3:32-35.8

第五篇：激光設(shè)備控制技術(shù)教材——第一章第八節(jié)講解

第八節(jié) 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)

欲使電力拖動(dòng)系統(tǒng)停車(chē)，對(duì)反抗性負(fù)載來(lái)說(shuō)最簡(jiǎn)單的方法是斷開(kāi)電樞電源，這時(shí)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為零，在空載損耗阻轉(zhuǎn)矩的作用下，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速就會(huì)逐漸減小至零，這叫做自由停車(chē)法。停車(chē)過(guò)程中阻轉(zhuǎn)矩通常都很小，這種停車(chē)方法一般較慢，特別是空載自由停車(chē)，更需要較長(zhǎng)的時(shí)間。許多生產(chǎn)機(jī)械希望能快速減速或停車(chē)，或使位能負(fù)載能穩(wěn)定勻速下放，這就需要拖動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)與旋轉(zhuǎn)方向相反的轉(zhuǎn)矩，這個(gè)起著反抗運(yùn)動(dòng)作用的轉(zhuǎn)矩稱(chēng)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的方法有兩種：一是利用機(jī)械摩擦獲得，稱(chēng)為機(jī)械制動(dòng)，例如常見(jiàn)的抱閘裝置；二是在電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上施加一個(gè)與旋轉(zhuǎn)方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩，稱(chēng)為電磁制動(dòng)。判斷電動(dòng)機(jī)是否處于電磁制動(dòng)狀態(tài)的條件是：電磁轉(zhuǎn)矩T的方向和轉(zhuǎn)速n的方向是否相反。是，則為制動(dòng)狀態(tài)；否則為電動(dòng)狀態(tài)。

與機(jī)械制動(dòng)相比，電磁制動(dòng)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、操作方便、沒(méi)有機(jī)械磨損，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，所以在電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。本節(jié)主要介紹他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)和回饋制動(dòng)。

一、能耗制動(dòng)

能耗制動(dòng)原理圖如圖1-32所示。原來(lái)KM接通，電動(dòng)機(jī)工作于電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)；制動(dòng)時(shí)KM斷開(kāi)，保持勵(lì)磁電流不變，將電樞兩端從電網(wǎng)斷開(kāi)，并立即接到一個(gè)制動(dòng)電阻Rz上。能耗制動(dòng)對(duì)應(yīng)的機(jī)械特性如圖1-33所示。這時(shí)從機(jī)械特性上看，電動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)從A點(diǎn)切換到B點(diǎn)，在B點(diǎn)因?yàn)閁=0，所以Ia=-Ea/(Ra+Rz)，電樞電流為負(fù)值，由此產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩T也隨之反向，由原來(lái)與n同方向變?yōu)榕cn反方向，進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)，起到制動(dòng)作用，使電動(dòng)機(jī)減速，工作點(diǎn)沿特性曲線(xiàn)下降，由B點(diǎn)移至O點(diǎn)。當(dāng)n=0，T=0時(shí)，若是反抗性負(fù)載，則電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。

在這過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)由生產(chǎn)機(jī)械的慣性作用拖動(dòng)，輸入機(jī)械能而發(fā)電，發(fā)出的能量消耗在電阻Ra+Rz上，直到電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，故稱(chēng)為能耗制動(dòng)。

為了避免過(guò)大的制動(dòng)電流對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)不利影響，應(yīng)合理選擇Rz，通常限制最大制動(dòng)電流不超過(guò)額定電流的2～2.5倍。

EaUNRa?Rz??（1-18）(2?2.5)IN(2?2.5)IN如果能耗制動(dòng)時(shí)拖動(dòng)的是位能性負(fù)載，電動(dòng)機(jī)可能被拖向反轉(zhuǎn)，工作點(diǎn)從O點(diǎn)移至C點(diǎn)才能穩(wěn)定運(yùn)行。能耗制動(dòng)操作簡(jiǎn)單，制動(dòng)平穩(wěn)，但在低速時(shí)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩變小。若為了使電動(dòng)機(jī)更快地停轉(zhuǎn)，可以在轉(zhuǎn)速降到較低時(shí)，再加上機(jī)械制動(dòng)相配合。

圖1-33 能耗制動(dòng)機(jī)械特性

二、反接制動(dòng)

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電樞電壓U和電樞電動(dòng)勢(shì)Ea中的任何一個(gè)量在外部條件作用下改變方向，即兩者由原來(lái)方向相反變?yōu)橐恢聲r(shí)，電動(dòng)機(jī)即進(jìn)入反接制動(dòng)狀態(tài)。因此反接制動(dòng)可用兩種方法實(shí)現(xiàn)，即電壓反接（一般用于反抗性負(fù)載）與電動(dòng)勢(shì)反接（用于位能性負(fù)載）。

1.電壓反接制動(dòng)

電壓反接制動(dòng)原理圖如圖1-34所示，電動(dòng)機(jī)原來(lái)工作于電動(dòng)狀態(tài)下，為使電動(dòng)機(jī)迅速停車(chē)，現(xiàn)維持勵(lì)磁電流不變，突然改變電樞兩端外加電壓U的極性，此時(shí)n、Ea的方向還沒(méi)有變化，電樞電流Ia為負(fù)值，由其產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向也隨之改變，進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)。由于加在電樞回路的電壓為-(U+Ea)≈-2U，因此，在電源反接的同時(shí)，必須串接較大的制動(dòng)電阻Rz，Rz的大小應(yīng)使反接制動(dòng)時(shí)電樞電流Ia≤2.5IN。

Rz

圖1-35 反接制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性

機(jī)械特性曲線(xiàn)見(jiàn)圖1-35中的直線(xiàn)bc。從圖中可以看出，反接制動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)由原來(lái)的工作點(diǎn)。沿水平方向移到b點(diǎn)，并隨著轉(zhuǎn)速的下降，沿直線(xiàn)bc下降。通常在c點(diǎn)處若不切除電源，電動(dòng)機(jī)很可能反向啟動(dòng)，加速到d點(diǎn)。

所以電壓反接制動(dòng)停車(chē)時(shí)，一般情況下，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n接近于零時(shí)，必須立即切斷電

源，否則電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。

電壓反接制動(dòng)效果強(qiáng)烈，電網(wǎng)供給的能量和生產(chǎn)機(jī)械的動(dòng)能都消耗在電阻Ra+Rz上。

2.電動(dòng)勢(shì)反接制動(dòng)

如圖1-36所示，電動(dòng)機(jī)原先提升重物，工作于a點(diǎn)，若在電樞回路中串接足夠大的電阻，特性變得很軟，轉(zhuǎn)速下降，當(dāng)n=0時(shí)(c點(diǎn))，電動(dòng)機(jī)的T仍然小于TL，在位能性負(fù)載倒拉作用下，電動(dòng)機(jī)繼續(xù)減速進(jìn)入反轉(zhuǎn)，最終穩(wěn)定地運(yùn)行在d點(diǎn)。此時(shí)n<0，T方向不變，即進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)，工作點(diǎn)位于第四象限，Ea方向變?yōu)榕cU相同。電動(dòng)勢(shì)反接制動(dòng)的機(jī)械特性方程和電樞串電阻電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)相同。

電動(dòng)勢(shì)反接制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)從電源及負(fù)載處吸收電功率和機(jī)械功率，全部消耗在電樞回路電阻Ra+Rz上。電動(dòng)勢(shì)反接制動(dòng)常用于起重機(jī)低速下放重物，電動(dòng)機(jī)串入的電阻越大，最后穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速越高。

三、回饋制動(dòng)

若電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行中，由于某種因素(如電動(dòng)機(jī)車(chē)下坡)而使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速高于理想空載轉(zhuǎn)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)便處于回饋制動(dòng)狀態(tài)。n>n0是回饋制動(dòng)的一個(gè)重要標(biāo)志。因?yàn)楫?dāng)n>n0時(shí)，電樞電流Ia與原來(lái)n

回饋制動(dòng)的機(jī)械特性方程式和電動(dòng)狀態(tài)時(shí)完全一樣，由于Ia為負(fù)值，所以在第二象限，如圖1-37所示。電樞電路若串入電阻，可使特性曲線(xiàn)的斜率增加。

例1.7 一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，PN=5.6kW，UN=220V，IN=31A，nN=1000r/min，Ra=0.4Ω，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=49N.m，電樞電流不得超過(guò)2倍額定電流（忽略空載轉(zhuǎn)矩T0）,試計(jì)算：

①電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)反抗性負(fù)載，采用能耗制動(dòng)停車(chē)，電樞回路應(yīng)串入的制動(dòng)電阻最小值是多少？

②若采用電樞反接制動(dòng)停車(chē)，電阻最小值是多少？ 解：①計(jì)算能耗制動(dòng)電阻

Ce?N?UN?IaRa220?31?0.4??0.208

nN1000電動(dòng)狀態(tài)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速

n?UNRa2200.4?T???49?1010r/min Ce?NCeCT?N20.2089.55?0.2082能耗制動(dòng)電阻

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???