研制开发了轧辊表面激光毛化/强化组合系统, 此系统由IPG 5000光纤激光器、毛化系统、强化系统、加工机床和控制系统组成, 采用了斩光盘、棱镜组合以及振镜技术, 解决了激光强化和激光毛化功能的集成以及无序毛化等难点问题。结果表明: 此系统精度高, 性能稳定、可靠; 适用于直径小于800 mm, 长度小于5 500 mm轧辊或长度小于5 500 mm平面工件的激光毛化和激光强化。

针对汽车板激光拼焊工艺特点,研制了激光自动焊接系统, 此系统由激光器、焊接机床和控制系统组成, 采用 IPG5000光纤激光器作为光源, 机械人上、下料, 切割原焊接组合技术, 柔性电磁铁定位、夹紧, 西门子 840D数控系统。解决了汽车板装夹、定位, 曲线、折线焊缝拼接、自动控制系统等关键技术。结果表明:此焊接系统光束质量好,性能稳定、可靠；可以焊接板厚0.5-3 mm, 长度小于 2 000 mm的直线、曲线、折线汽车板, 汽车拼焊板的焊接精度高, 焊缝质量好, 达到 ISO18001标准。

采用高功率 CO2激光焊接 8 mm厚 HG785材料, 研究了其激光焊缝组织特性和机械性能, 探索了高强中厚板的激光焊接适应性。结果表明: 当激光功率 3 500W, 焊接速度 1.5 m/min时进行双面焊接, 获得了无缺陷的良好焊缝。与 CO2气体保护焊接相比, 激光焊接速度快, 变形小, 焊缝宽度窄(最宽处 2 mm),热影响区小(0.4 mm), 焊缝晶粒细小; -20益焊缝冲击韧性 CVN＝50J, 最高硬度为 383 HV, 焊缝各项性能指标满足高强结构钢的焊接要求。

分析了光束质量、球差对聚焦特性的影响, 并利用横流CO2激光器及其加工系统实验研究了平-凸透射聚焦镜、抛物面反射聚焦镜对焊接质量的影响规律。结果表明, 平-凸透射聚焦镜的正球差使焦点远离聚焦镜, 负球差使焦点向聚焦镜靠拢, 适当的球差可提高焦点光强; 当入射光束无偏移时, 抛物面聚焦镜比平-凸聚焦镜的焊接熔深大15％,入射光束偏移增加到0.6mm时, 抛物面聚焦镜的焊接熔深迅速下降到低于平-凸透射聚焦镜。

利用高功率横流CO2激光器，研究了高速激光加工条件下，激光功率的微观波动对材料加工质量的影响，分析了加工质量与加工速度的关系，讨论了高速加工条件下激光束质量的评价指标。结果表明，高功率横流CO2激光器采用直流激励，由于直流激励主、副电源的整流、叠加效应，使电压、电流产生300 Hz波动，导致激光功率产生300 Hz的波动。低速加工时对加工质量的影响可忽略不计，但当高速加工时，将产生300 Hz的深浅、宽窄变化。因此应针对高速、高质量加工的需要，提出“时间光束质量”评价指标。

针对飞机叶片激光熔覆的特殊要求,利用横流CO₂激光器及加工系统,系统地研究了连续/脉冲CO₂激光对K403材料熔覆质量的影响规律。结果表明,相同线能量下脉冲激光熔覆与连续激光熔覆相比,外表光滑、平整、熔覆层与基体的界面结合完整,稀释率低20%,熔覆层硬度高5%,热影响区小50%。脉冲激光熔覆K403材料减少了合金元素的聚集和低熔点共晶组织的形成,缩小了“液态薄膜”的产生范围,同时由于基材变形小,降低了冷却凝固过程中的拉应力,较高的过热度使熔覆层液体与基体液体充分混合,降低了基体的脆性,解决了K403材料连续CO₂激光熔覆易产生裂纹的问题。

在高功率横流CO₂激光器上设计了一种新型激光谐振腔(平-锥腔),实验研究了其输出光束特性,并与平-凹腔的输出特性进行了比较。结果表明:在腔长3m,输出镜光阑直径φ30mm时,平-锥腔的输出光束模式为TEM30模,平－凹腔与平－锥腔的输出光束发散角分别为2.6mrad、2.1mrad,当输出镜失调1.4′时,光斑缺失率分别为16％、8％,当反射镜失调1.4′时,光斑缺失率分别为20％、5％,因此平－锥腔具有较高的抗失调稳定性,而且锥面全反镜的抗失调性能优于凹面全反镜。

建立了激光谐振腔往返传输矩阵,通过求解往返传输矩阵的特征值与特征向量,获得了激光谐振腔模式特征。该方法可以用于快速计算同阶贝塞耳函数的所有谐振腔模式和衍射损耗,其结果与Fox-Li数值迭代方式计算结果完全一致。分别就对称谐振腔往返传输矩阵的A2与单程传输矩阵A的特征值及特征向量之间的关系和物理意义,以及非对称谐振腔往返传输矩阵AB与BA的特征值及特征向量之间关系和物理意义进行了分析和讨论,建立了数学表达式,并可以通过改变传输矩阵来提高计算效率。分析了对称共焦腔离散单元数量对光腔模式计算结果的影响,建立了最佳离散单元数量与谐振腔镜片半径的关系表达式,并实现了大菲涅耳系数共焦腔模式的计算。

根据针-板放电5 kW横流CO2激光器的结构特点,设计并实验研究了直角锥面镜作为全反射镜的谐振腔。在菲涅耳-基尔霍夫理论的基础上,引入柯林斯公式并考虑增益影响,推导了锥面谐振腔的衍射积分方程,并进行了相应的模拟计算。研究结果表明,在高功率横流CO2激光器中锥面反射镜与平面输出镜相配合使用组成稳定腔,获得了TEM30的低阶模输出; 由于锥面反射镜受加工精度的影响中心残留有加工盲孔,导致TEMmn(m＝0,n≠0)的模损耗较大不易耦合输出; 而镜面中心场分布很弱的其他低阶模因损耗小,则会优先输出。

利用DC025扩散冷却板条(SLAB)激光器系统地研究了激光焊接三明治金刚石锯片的焊接缺陷和焊接工艺。结果表明焊接缺陷主要表现为焊缝中大量的气孔和较多的铜，降低了焊缝强度。气孔来源于基体里黏接剂、油污与粉末冶金刀头的共同作用，采用正面熔透1/2，反面完全熔透的焊接方式和提高焊接速度来减少气孔缺陷。铜来源于基体里铜板的熔化，当激光偏向刀头时，铜的含量降低。350 mm三明治锯片合适的焊接参数为激光偏移量0～+0.20 mm，正面焊接线能量为25～40 J/mm，且激光功率低于1000 W；反面焊接线能量为80～150 J/mm，且激光功率高于1500 W；此时焊缝铜的质量分数为0.2%～1.1%，焊接气孔较少，焊缝抗弯强度满足EN13236安全标准。