增材制造镁合金个性化复杂结构在航空航天、交通运输和医疗器械等领域有着广泛的应用前景。然而，镁具有活性高、易蒸发、液体流动性好、热膨胀系数高等特性，镁合金增材制造面临着诸多工艺挑战。系统研究了WE43镁合金的激光粉末床熔融(L-PBF)增材制造工艺，通过调控激光能量输入和扫描策略，获得了熔合质量和力学性能良好、成形精度高的WE43镁合金实体和多孔支架。致密度在较大工艺窗口内超过了99.50%，拉伸强度和断裂延伸率分别达到275 MPa和15%，多孔结构的实际孔隙率与设计值相差10%以内，表明所提WE43镁合金激光粉末床熔融工艺具有工业应用潜力。

对高质量、高效率、高柔性和绿色环保连接技术的需求,以及不断涌现的各种新材料的连接需求,促进了激光焊接技术的研究和进步。得益于激光器及其配套设备的快速发展,以及对激光与材料相互作用机理认识的深入,激光焊接技术在过去30年实现了由实验室研究走向规模化工业应用的转变。激光能量能够在时空尺度上进行精确调控,高能量密度和小热输入为激光焊接精确控制接头熔化形状和抑制焊接热循环对母材的不良影响提供了可能。然而,高的激光能量密度导致金属蒸发形成匙孔,匙孔坍塌引起的气孔是激光焊接中的常见缺陷。此外,小的热输入导致了较快的冷却速度,影响了焊缝和热影响区的微观组织。熔深、气孔和微观组织的调控均与激光能量密切相关。本文依托钢铁材料、镁合金、钛合金和异种材料连接方面的典型案例,介绍了激光能量对焊接熔深、气孔及微观组织的影响及调控,指出了激光焊接技术的特点和优势,对利用激光焊接技术解决新材料和新结构的焊接难题提供了有益借鉴。

激光粉末床熔融(L-PBF)能够精确高效地制备复杂结构,适用于目前主流的医用金属材料,可赋予骨科植入物定制化的宏观微观结构,快速响应个性化的临床治疗需求,最大程度地适应骨缺损部位的生理环境并加快骨修复重建进程。本文从生物材料、结构设计和制造工艺角度出发,全面评述了激光粉末床熔融制备金属骨科植入物的发展现状,重点对钛合金和钽合金等不可降解金属以及镁合金和锌合金等可降解金属的激光粉末床熔融工艺特性及力学性能进行了比较分析,并对该技术在骨科植入物制备领域的未来发展进行了展望。

采用光纤激光-冷金属过渡电弧(CMT)复合焊接工艺对6 mm厚A7204P-T4铝合金进行对接焊接,焊前在对接界面处预置不同尺寸的铌箔(焊缝中铌的质量分数为0.74%和1.36%),采用优化的焊接参数得到了成形良好的焊接接头。研究了铌含量对复合焊接接头微观组织和力学性能的影响,并分析了焊接接头的拉伸断裂机理和断口形貌。试验结果表明:未添加铌的焊缝组织主要由细晶区、柱状晶区和等轴树枝晶区组成;加入铌箔后,铌溶质偏析和含铌析出相的异相形核使得焊缝晶粒明显细化,柱状晶与树枝晶组织基本消失;加入质量分数为0.74%的铌后,焊缝熔合区和焊缝中心区的平均晶粒尺寸分别减小了57.9%和55%;不含铌以及铌质量分数分别为0.74%和1.36%的焊接接头的平均抗拉强度分别为325,334.5,328 MPa;铌质量分数为0.74%的焊接接头的断后延伸率为6%,与未加铌的相比,提高了约71%;三种试样的拉伸断口均以韧窝为为主,并伴随有明显的撕裂棱,表现出微孔聚集型断裂特征。

采用摆动光纤激光-CMT电弧复合焊接方式对高速列车用带锁底6A01-T5铝合金型材进行焊接工艺试验。采用优化的焊接参数得到了表面成形均匀、外观无缺陷的良好接头,并对接头进行了气孔分布特征、显微组织和力学性能试验。研究结果表明:摆动激光复合焊缝成形优良,内部横、纵截面上气孔率的平均值分别为0.63%、0.06%,且以形状规则、直径小于50.0 μm的圆形气孔为主,与光束不摆动时相比,焊缝内的工艺性气孔得到了明显抑制;焊缝中心为树枝晶组织,二次枝晶明显弱化;焊缝区和热影响区的硬度值低于母材,为软化区;复合焊接接头的极限疲劳强度为105.0 MPa,抗拉强度平均值为223.19 MPa,抗拉强度达到了母材的84.22%;接头拉伸断口呈韧窝状,具有典型的韧性断裂特征。

采用光纤激光-冷金属过渡(CMT)焊、光纤激光-变极性钨极惰性气体保护(VPTIG)焊、光纤激光-熔化极惰性气体保护(MIG)焊三种复合焊接方法对带锁底结构的6106-T6铝合金型材进行焊接。采用优化后的焊接工艺参数,焊后得到了成形良好、无明显缺陷的复合焊接接头,研究了接头的显微组织、拉伸性能和疲劳性能,并分析了疲劳断裂机理及断口形貌。结果表明:激光-CMT和激光-VPTIG复合焊接接头中心由上至下等轴晶尺寸逐渐减小,激光-MIG复合焊接接头焊缝中心的晶粒较粗大,且上下部分等轴晶的尺寸变化不大;激光-CMT、激光-VPTIG、激光-MIG三种复合焊接接头的抗拉强度分别为213.0,198.0, 200.0 MPa,较母材均存在一定程度的强度损失,疲劳极限分别为105.00,100.83,113.50 MPa;疲劳断裂位置均在焊缝熔合线处的柱状晶区,断口均呈韧窝状,为典型的韧性断裂。

采用光纤激光-CMT复合焊接工艺对6 mm厚5454-H24/6106-T6铝合金型材进行对接焊试验。经工艺参数优化后, 得到成形良好的焊接接头,在此基础上分别进行了1次、2次和3次补焊, 对比分析了多次补焊后接头的显微组织和力学性能, 并评估了接头的热裂纹敏感性。结果表明, 所得到对接接头和3次补焊接头的焊缝横截面均为典型的“Y”型, 随着补焊次数增多, 熔宽增大, 相应的热影响区(Heat affected zone, HAZ)范围也越宽, 焊缝区显微组织晶粒变大, 气孔倾向有所增加。复合焊接接头的抗拉强度和屈服强度都有所降低, 焊接接头均于焊缝处断裂。补焊后, 6106侧热影响区显微硬度有所下降, 而5454侧热影响区未出现明显降低。补焊后, 热裂纹敏感性升高, 在控制好工艺和降低焊接缺陷的情况下, 可以进行三次补焊。

激光热丝焊热输入小，填丝效率高，焊缝熔合比小，特别适合于表面堆焊及厚板的窄间隙焊接，如何获得稳定的焊丝过渡是其关键问题。采用高速摄像观察了不同工艺参数下的焊丝过渡行为，将其分为滴状过渡、熔断过渡、连续过渡、顶丝过渡4种类型，连续过渡是稳定的焊丝过渡，是获得良好焊缝成形的前提。不同焊丝过渡行为的区别表现为焊丝熔化位置不同，这是由焊丝获得热量的大小不同所导致的。获得稳定焊丝过渡的工艺控制原则是：电阻热小于焊丝熔化热，且电阻热与熔池传热之和大于焊丝熔化热。通过理论推导对熔池外焊丝温度进行了计算，发现当电阻热将熔池外焊丝加热至接近熔点时，有利于获得稳定的焊丝过渡。

将填充热丝应用到高光束质量、长焦距的光纤激光窄间隙焊接中，不锈钢母材通过激光加热，镍基焊丝通过电流加热，有效利用复合热源的优势，提高了焊丝过渡稳定性和熔覆效率。通过高速摄像机对送丝过程进行在线观察，分析工艺参数对焊丝过渡的影响。研究不锈钢和镍基合金异种金属窄间隙焊接接头的凝固组织，并对焊缝金属进行元素分布扫描。研究发现，由焊丝电流和送丝速度等工艺参数决定的送丝稳定性是影响填充热丝激光焊接质量的最主要因素。对于窄间隙焊接，采用与间隙宽度相当的离焦光斑激光热导焊，可形成较好的侧壁熔合，由熔融金属曲面和侧壁构成的激光反射是侧壁熔合的主要原因。焊缝冷却速度较快，焊缝金属的凝固组织呈明显的对生生长，在坡口侧壁附近其生长方向与侧壁近似垂直，焊缝不存在宏观偏析。在间隙底部直角处容易出现未熔合现象，采用底部圆弧过渡的U型坡口后，可较好地解决底部未熔合问题，获得了无宏观缺陷的焊接接头。

由于母材含有大量气源，气孔是压铸镁合金激光焊最主要的问题。在不同的激光功率密度下，采用不同的热输入对压铸镁合金激光焊气孔形成规律进行了研究。在低激光功率密度（1.6×106 W/cm2以下）焊接时，随着热输入的升高气孔率持续升高；在高激光功率密度（3.2×106 W/cm2以上）焊接时，在一定热输入下气孔率出现极小值，由此增加或减少热输入都会造成气孔率的升高，但当热输入非常低时气孔率又出现降低的趋势，即不同激光功率密度下气孔率随焊接热输入的变化存在两种不同的规律。结合压铸镁合金母材中气源行为以及焊接热过程，对两种规律的形成原因进行了讨论和实验验证，研究发现获得低气孔率焊缝的关键是抑制压铸镁合金中原子氢的析出，使其以固溶形式继续存在于焊缝中。