为实现10 mm厚304不锈钢板的单道焊接成型, 采用10 kW碟片激光与MIG电弧复合的方法进行焊接, 分析了焊接速度对焊接接头成型的影响。结果表明, 焊接过程中存在的主要缺陷为底部驼峰, 焊接速度过小或者过大都会产生底部驼峰, 当焊接速度为2.4 m/min时, 焊缝底部平滑且连续, 焊缝成形良好。组织分析表明焊缝组织为奥氏体基体和3%~5%的铁素体, 铁素体形态为大量板条状与少量骨架状, 熔合区较窄, 约15 μm~25 μm; 拉伸结果表明焊接接头的力学性能低于母材, 焊接头的抗拉强度、屈服强度、延伸率分别为711 MPa、321 MPa、54%, 达到母材的92.7%、95.8%、88.5%。

本文主要研究了孔隙率等参数可控的自动超轻结构化金属零件的增材制造。以方块零件及一个具有复杂外形的零件为研究对象, 分析了面向激光选区熔化工艺的可控超轻结构化零件的孔隙生成效果, 重点探讨了成型工艺对超轻结构化零件孔隙率的影响。结果显示: 通过计算机数值计算, 可将方块CAD模型快速自动转化为可控超轻结构化模型, 计算孔隙率误差可控制在±2%以内; 激光深穿透现象会导致带悬垂面内壁的壁厚增加, 所引起的孔隙率误差值为负值, 且计算孔隙率越大, 负值倾向越严重; 而成型工艺性不致密导致的孔隙率误差为正值, 且在相同工艺条件下, 计算孔隙率越大, 该误差值越小。故为使总孔隙率误差能较好地反映超轻结构网格孔隙的控制精度, 应提高成型时实体部分的致密性。按45%设定孔隙率成功地将具有复杂结构的零件转化为计算孔隙率为44.62%的超轻结构化模型, 采用高致密性激光选区熔化工艺成型后, 实测孔隙率为42.94%, 无悬垂面的内壁壁厚误差≤0.06 mm, 达到了较好的超轻结构控制效果。

为解决金属超轻结构零件设计技术复杂、设计周期长、难添加蒙皮进行增材制造等难题, 提出一种基于激光选区熔化增材制造工艺的金属零件自动超轻结构化设计方法: 根据激光选区熔化工艺特点, 编制程序将原始零件CAD模型自动转化为设定孔隙率的带蒙皮类蜂窝状超轻结构零件模型, 且其数据可直接驱动设备实现零件增材制造。研究了带蒙皮超轻结构的构造形式及设计方法; 探讨了合适的成型棱长及合理蒙皮结构形式; 成功实现复杂零件自动带蒙皮超轻结构化设计及增材制造, 所得零件孔隙率误差2.79%,表明能较准确按预期减重。该方法能根据原始零件CAD模型自动、快速地构建带蒙皮金属超轻结构零件模型, 大大减轻该类零件设计负担及提高其实用性。

建立了激光选区熔化(SLM)加工的多层瞬态热有限元模型，该模型考虑了随温度变化的材料属性，并通过将粉末材料的热物理属性转换为实体材料的热物理属性来模拟粉末-实体的转换过程，有限元分析结果与单熔道实验结果吻合，验证了该模型的有效性。研究了扫描速度(0.2 m/s，0.4 m/s，0.6 m/s)和激光功率(80 W，100 W，120 W)对温度场的影响，并研究了相邻层之间的铺粉过程的冷却效应。结果显示，当扫描速度越大时，温度峰值点相较激光光斑中心越偏后，温度峰值和温度梯度随着激光功率的增大或者扫描速度的减小而增大，该研究为SLM加工工艺参数的选择提供了理论依据。

对多零件选区激光熔化的成型效率进行了优化。首先，分析了多零件选区激光熔化成型过程的时间消耗，并以减少时间消耗为目标建立了3维零件在3维成型空间中的2.5维排料优化规则。然后，研究了2.5维自动排料，提出利用3维零件模型在2维平面区域的投影将2.5维排料转化为2维排料的简化方法和一种利用切片数据进行投影生成的算法。最后，为验证所述方法的有效性，以手术模板模型为例，在虚拟选区激光熔化系统VDemetal280上进行了优化实验。与优化前相比，优化后的成型次数从4次降为3次，在扫描速度为600 mm/s、切片层厚为0.035 mm、扫描间距为0.08 mm的工艺参数下，总铺粉次数从3 892次降为2 231次，预计加工时间从约91 276 s降为69 918 s，时间消耗有明显减少。

为了提高选区激光熔化(SLM)成型悬垂结构的质量，从调节成型方向和能量输入入手研究悬垂结构的计算机辅助工艺参数优化。以减小零件模型整体难成型悬垂面的面积为目标，以零件模型非成型方向的两个旋转角度为优化变量，建立成型方向的优化模型，并基于遗传算法实现优化模型参数的求解。通过遍历零件模型中的所有三角面片，建立倾斜角静态查找表，并在成型时查表实现能量输入的实时调节。实验结果表明，经成型方向优化，零件模型难成型悬垂面的面积从555.12 mm2减小为16.211 mm2，所需支撑数量明显减少；成型后所得零件无明显悬垂物和翘曲变形，成型质量明显改善。