激光金属沉积成形传统上多采用恒定的工艺参数进行堆积,易导致热累积现象。为减弱热累积对钛合金成形氧化的影响,提出一种实时改变层间激光功率的熔池温度闭环控制系统。针对TC4钛合金块体沉积,设计了PI控制器,以激光功率作为输入量来控制熔池实际温度。结果表明：PI控制器可使熔池实际温度达到期望值；块体成形件表面呈光亮的银白色,未出现氧化现象；与恒定激光功率下的成形件相比,温度闭环控制的沉积块体柱状晶尺寸小且宽度较为均匀,顶部的显微硬度未出现升高现象。该系统为熔池温度控制提供了新方法,并为实现开放环境下钛合金的连续沉积成形提供了技术支持。

针对开放环境下钛合金在激光熔覆过程中易被氧化的问题,提出了一种局部气氛保护模型。采用Fluent软件分析了不同保护气体流量下局部保护喷嘴可提供的有效保护气氛范围,并通过三次多项式拟合建立了气流有效保护长度的数学模型;然后利用响应面法建立了包括保护气体流量在内的工艺参数与熔覆过程中待保护高温区域长度之间的二次回归模型;对两个模型进行联立分析,最终建立了开放环境下钛合金激光熔覆的局部气氛保护模型。验证试验所得单道熔覆层形貌良好,表面呈银白色的金属光泽,说明熔覆过程中熔池及其周围高温区域得到了有效保护。所建局部气氛保护模型可用于指导开放环境下钛合金激光熔覆过程中保护气体流量的选用。

针对开放大气环境下钛合金激光熔覆层极易氧化的问题,设计了一种可在熔池附近形成局部气氛的同轴保护气罩。采用FLUENT软件建立了光内送粉同轴熔覆喷嘴的三维模型,模拟分析保护气道的入口数量、角度及保护气体流量对氩气质量分布的影响。结果表明:气罩保护气体入口数量与氩气分布的对称性有关;入口角度对氩气质量分布的影响较小;增大保护气体的流量会极大地提高有效保护范围。根据保护气罩结构优化参数,选用氩气作为保护气,进行开放大气环境下Ti-6Al-4V合金的激光熔覆实验,熔道表面呈银白色,熔覆层饱满,验证了同轴保护气罩的保护效果。

利用高功率光纤激光熔覆设备, 在Q235A钢表面制备了CaF2/Ni60复合涂层。采用着色渗透探伤法研究了激光扫描速度和CaF2对涂层的裂纹敏感性的影响, 并利用显微硬度计和摩擦磨损机考察了CaF2对复合涂层显微硬度和耐磨性能的影响。结果表明, 激光扫描速度和CaF2与涂层裂纹敏感性密切相关, 随着扫描速度的增大, 涂层表面裂纹敏感性增大; 随着CaF2比例的增加, 熔覆层表面的裂纹数量先减少后增加, 当w(CaF2)＝6.0%时, 激光熔覆层表面未出现裂纹; CaF2粉末改善了熔池的流动性, 使组织分布较均匀, 显微硬度波动性减小, 当w(CaF2)＝6.0%时, 涂层平均硬度为875 HV0.3, 约为基体硬度的5.3倍。Q235A基体的平均体积磨损量是Ni60＋6.0% CaF2涂层的4.7倍, 提高了涂层的耐磨性。

铜及其合金材料热导性良好、反射率高, 采用单一激光焊接难度较大。提出绿-红外双波长脉冲激光同轴复合焊接方法, 并研制了焊接系统。系统的绿激光脉冲能量为255.4 mJ, 功率稳定度为±2%; 消色差焊接头保证了T2紫铜的双波长激光同轴复合精密焊接。对焊缝进行显微组织及显微硬度测试, 结果表明, 焊缝光滑平整, 无缺陷; 焊缝正面高度与母材区的持平, 宽度约为0.5 mm, 焊缝反面高度略低于母材区, 宽度约为0.4 mm; 焊缝平均显微硬度为134 HV, 为母材的64.8%, 未出现严重的软化现象。

为研究激光冲击强化7050铝合金薄板表面残余应力的形成机制，采用5种不同功率密度的激光束冲击加载7050铝合金薄板，利用PVDF（聚偏二氟乙烯）压电传感器测量激光冲击薄板试样的动态应变，利用X射线应力分析仪测量激光冲击后的残余应力分布，并借助三维显微系统观察激光冲击强化造成的表面微结构。结果表明，当激光功率密度为1.02 GW/cm2时，激光冲击引起的横向变形小；当激光功率密度为1.53 GW/cm2时，表面稀疏波与横向变形共同导致了试样最大残余主应力呈等双轴分布；当激光功率密度为1.98 GW/cm2和2.77 GW/cm2时，冲击区域中心比临近区域分别高出5.680 μm和10.800 μm，在来回反射的冲击波与表面稀疏波的共同作用下产生了残余应力洞现象；当激光功率密度为4.07 GW/cm2时，试样冲击区域产生了较大的塑性变形且比较平滑，最大残余主应力呈均匀分布。