为了探究多脉冲在毫秒激光作用下织构形貌的演变规律，本文建立一个二维对称模型，考虑反冲压力、表面张力和蒸发速度对熔池变化的影响，用来分析形貌演变的规律并对其进行实验验证。研究结果表明，在反冲压力的作用下，凹坑深度和凹坑直径随着脉冲次数的增加而增大；熔池中心凸起和边缘凸起的形成与热毛细力和拉普拉斯压力有关，并且随着脉冲次数的增加，熔池中心的凸起高度减小；熔池边缘处，在热毛细力的影响下熔质向中心流动，并且随着脉冲次数的增加，边缘凸起的高度减小。

具有毛化凸点的金属零部件在工程中有广泛应用,精确控制毛化点形貌对实现精准控制相关零部件性能至关重要。以45钢为研究对象,采用二维轴对称模型仿真,探究脉冲激光作用下熔池内温度场、流体流向和流速的演变规律,据此研究毛化形貌形成的微观机理和动态过程。结果表明:在加热过程中,当表面温度低于临界温度时,切向应力为负,熔质流向熔池中心;当表面温度高于临界温度时,切向应力为正,熔质向边缘流动,最终在2个异向环流交界处形成对流零点;对于同种环流,切向应力越大,对应的流速峰值越大。超过临界温度后产生新环流,若环流流速较小,则削弱形貌变形量,若环流流速较大,则会在对流零点处产生异形形貌。

采用光纤激光器对GCr15轴承钢试样表面进行了激光织构加工,使用共聚焦显微镜观察了微织构的形貌,分析了功率、脉宽、重复次数对织构点形貌的影响。试验结果表明,织构点直径随脉宽的增大而增大,在一定脉宽范围内,织构点深度随脉宽的增大而明显增大;在单脉冲作用下,当脉宽为1000 μs时形成凸起形貌,当脉宽增大到5000 μs以上时形成凹坑形貌;随着功率的增大,织构点的直径和深度增大;随着重复次数的增加,热效应尤为明显,凹坑先逐渐变深然后部分被填平,凸起高度先不变然后急剧增大。研究验证了同一台激光器同时实现凹/凸微织构的可行性,为实现表面不同形貌的加工提供了新的思路。

为了提高激光微织构加工效率和改善微织构加工质量, 采用W-71s型喷枪在GCr15轴承钢表面分别喷涂用黑漆、水玻璃、黄料、磷酸锌和石墨制备的涂层。利用Nd∶YAG激光加工机对其进行激光微织构加工, 使用3维形貌分析仪对微凹坑的形貌进行了检测。结果表明, 与无涂层试样相比, 采用水玻璃和黄料涂层试样表面蚀除凹坑体积均增加, 凹坑边缘熔渣体积均减少, 其中黄料涂层表面蚀除凹坑体积增加了29.4%, 水玻璃涂层凹坑边缘熔渣体积减少了64.9%; 在一定条件下, 复合涂层相比单一涂层具有更好的激光加工性能, 其中黄料与水玻璃复合涂层的性能最为显著, 与未经涂层的相比, 凹坑蚀除体积增加了47.1%, 凹坑边缘熔渣体积减少了43.2%。这一结果对提高激光微织构加工效率、改善微织构加工质量具有一定的指导意义。

为了提高金属表面激光吸收率及激光微织构加工表面质量, 采用W-71s型喷枪在试样表面分别喷涂黑漆、水玻璃和黄料, 并用Nd∶YAG激光器对其进行激光微凹坑加工。与无涂层试样相比, 激光加工水玻璃和黄料涂层试样表面蚀除凹坑体积都增加, 其凹坑边缘熔渣体积都减少, 其中, 黄料涂层试样表面蚀除凹坑体积增加了29.4%; 在此基础上, 利用正交试验法探讨水玻璃和黄料的配比以及厚度对激光微织构加工表面蚀除凹坑体积和凹坑边缘熔渣体积的影响。结果表明, 吸光涂料的厚度控制在0.1mm左右, 黄料含量17%、水玻璃含量18%的涂料为最优涂料配方; 正交试验表中最优试样表面蚀除凹坑体积相比无涂层试样增加了70.6%, 其凹坑边缘熔渣体积减少了16.2%。该工艺显著提高了激光吸收率和激光加工表面质量。

探讨了单脉冲同点间隔多次(SPI)工艺对激光微织构加工效果的影响。采用纳秒倍频Nd³⁺∶YAG 激光器在45钢表面进行激光微织构实验，研究激光能量密度、脉冲个数对微凹腔几何形貌参数的影响规律；分析烧蚀所致表面等离子体对激光吸收率的影响；并从实验和温度场模拟角度，对比分析了SPI工艺相比同点连续多次工艺的特点及技术优势。结果表明：随激光能量密度增加，微凹腔直径呈对数函数关系增加，而凹腔深度则随之先增大后趋于平稳，最后略微下降。作用脉冲个数对凹腔直径影响不明显，但凹腔深度随之呈线性增加。较之同点连续多次工艺，SPI工艺能最大限度降低激光加工产生的负面热效应，且多脉冲作用对微织构内部形貌具有“平滑”作用；同时，在保证单个脉冲材料去除率的条件下，提高了激光加工高质量微织构的总效率。

为了使平面阵列激光微造型方法应用于工程技术领域，基于“单脉冲同点间隔多次”激光微造型新工艺，对平面阵列的加工方法进行了深入的分析研究，给出一种全新的扫描策略，对已有的加工方案进行了路径优化。由于采用该扫描策略进行“单脉冲同点间隔多次”激光微造型时，要求激光头对每行加工初始点进行精确定位，基于此，对工作台的定位问题进行了分析研究，给出了工作台精确定位流程图，并对该扫描策略的编程实现过程进行了分析研究，给出了路径优化后平面阵列加工过程流程图。结果表明，该扫描策略满足既定的“单脉冲同点间隔多次”激光微造型新工艺的加工要求，且能获得较好的微观形貌和表面质量。

在圆锥轧辊轧制带钢时，为了增强轧辊与带钢之间的摩擦力，采用对轧辊表面进行激光毛化的方法，对圆锥轧辊的激光毛化加工过程进行了分析研究，给出加工系统的硬件组成，介绍了加工系统的控制原理。由于在圆锥轧辊表面进行激光毛化属于变径加工，为了保证每个加工圆周处毛化点之间的点距不变，推导出每个加工圆周处圆周直径、总脉冲个数和分频系数等的计算公式，同时给出相应算法，解决了每个加工圆周处最后1个毛化点与第1个毛化点之间间距总是大于点距的问题。结果表明，在圆锥轧辊表面进行激光毛化，不仅增强了轧辊与带钢之间的摩擦力，同时还延长了轧辊的使用寿命。

以发动机气缸/活塞环摩擦副为具体研究对象，研制了一种新型激光珩磨设备。由于发动机汽缸套载重大，且形状不规则，故设备采用激光头既旋转又直线运动的运动方案。该设备在移动轴和转轴中分别安装有高精度光栅尺和高精度增量旋转编码器以提高运动控制系统的精度。为了使微凹腔沿圆周均匀分布，采用了小数分频原理，能够实现任意小数分频。通过对运动控制卡与自制的调Q控制卡的软件编程，实现了运动控制系统与激光系统的协同控制，用以在气缸表面加工出特定的微观形貌。加工方法采用的是“单脉冲同点间隔多次”的激光微加工新方法。利用该方法能够方便地加工出微观或宏观的形貌且能显著地减少激光加工所带来的负面热效应。

鉴于激光表面微造型技术加工金属材料时会带来较严重的负面热效应，提出“单脉冲同点间隔多次”的激光微造型新方法。通过对运动控制卡与自制的调Q控制卡的软件编程，利用声光调Q技术及伺服控制,完成了运动控制系统与激光系统的协同控制，从而实现激光加工新方法。整个系统通过工控机集中控制，利用该方法能够高效率加工出微观或宏观的造型形貌，且能显著减少激光加工所带来的热效应负面影响。该控制系统可在摩擦副表面加工出优化设计的微观形貌。经实际加工验证，设备能够满足加工要求且能获得较好的微观形貌和表面质量。