基于激光内送粉技术，借助6 轴机器人实现了光头空间变姿态/变方向分层激光堆积成形。重点研究了连续变换基体空间角度对熔道形貌的影响；分析了空间变姿态/变方向激光堆积的难点和关键技术；进行了空间连续变姿态/变方向实体成形试验，并对成形件的壁厚、组织、显微硬度进行了分析。结果表明，随基板倾斜角度增大，熔池最大偏移量为0.06 mm，重力对熔池的流动影响不明显；采用切向分层技术、熔道变角度生长自适应技术以及轴线偏移补偿技术有效地解决了“花瓶”状变径回转体激光成形堆积的难点。成形件与基体为冶金结合，熔道不同区域的组织和显微硬度各有不同，成形组织整体较为细密均匀，区域显微硬度变化较小；成形件大角度变化处，显微硬度有一定下降，成形件小角度变化处，显微硬度无明显改变。

为了得到表面粗糙度低的立面变径回转体,采用中空激光光内同轴送粉技术进行立面堆积的方法,着重对中空激光立面堆积的优点以及激光光头姿态、光头提升量Δz、激光功率对立面堆积成形件表面粗糙度的影响进行了理论分析和实验验证.在立面堆积过程中,激光光头始终保持与熔道表面垂直,同时对提升量Δz、激光功率进行实时控制,最终得到表面光滑的立面回转体成形件,其粗糙度Ra为0.497μm~2.163μm;Rz为1.992μm~7.447μm.结果表明,该方法在立面堆积方面具有适用性,可以得到表面粗糙度低的成型件.

“形貌自愈合效应”是激光金属直接成形过程中可能出现的一个重要现象，在堆积过程中依靠自身工艺参数的调整，可以控制多层堆积的熔道从堆积表面可能出现的凹凸不平状态重新恢复到平整状态。在“中空激光、光内送粉”新工艺的方法下，通过调整环形激光离焦量能产生明显的熔道凹凸缺陷的自愈合效应。对激光离焦量与单层堆积厚度影响规律进行了理论分析，获得激光离焦量与单层熔覆高度的关系曲线，并在具有“栅栏凸起”的304不锈钢基板上堆积多组薄壁墙试样进行试验验证，同时利用游标卡尺、扫描电镜及显微硬度计对愈合完好的薄壁墙的宽度、微观组织及显微硬度进行了分析。结果表明，不同的激光离焦量对其形貌自愈合能力影响显著，当离焦量为0~-3 mm 时，薄壁墙形貌原有的起伏不平“自愈合现象”并不会出现；当离焦量为-3 mm~-5 mm 时，薄壁墙形貌的起伏不平随层数增加被逐渐修复，若干层后表面光滑平整，“自愈合现象”得到验证；通过自愈合修复的薄壁墙，宽度变化很小，与基体冶金结合良好，组织致密均匀，从墙顶至基体硬度值呈缓慢下降趋势。

现有激光熔覆技术大多是基于水平基面上开展的，这种方式极大地限制了激光熔覆技术的广泛应用。基于“光束中空、光内送粉”技术，通过对激光加工机器人系统的程序控制实现了基板0°~150°的倾斜和熔覆头相应姿态的连续变化，研究了基板不同倾斜角度下对熔覆层截面尺寸及组织的影响规律，并对变基面过程中的熔池进行了受力分析。实验结果表明：随基板倾斜角度逐渐增大，粉末聚焦特性变差，进入熔池的粉末量逐渐减少，造成熔覆层高度逐渐降低。熔覆层宽度稳定在光斑左右，变化不明显；偏移量(熔覆层最高点轴线位置偏离激光束轴线位置间的距离)先增大后降低。熔覆层顶部显微组织树枝晶大小先变粗后变细，典型柱状晶生长方向随基板角度变化也发生相应的倾斜。该工艺为在非水平基面上进行激光熔覆、修复及成形提供了参考价值。