采用选区激光熔化技术烧结混合后的18Ni300马氏体模具钢粉末和微米SiC粉末，研究加入不同体积分数的SiC粉末对成型试样表面粗糙度、微观结构及力学性能的影响。结果表明，随着SiC体积分数增加，试样顶面的隆起和球化现象加剧，表面粗糙度和孔隙变大，侧面粘粉严重，凝固组织由胞状晶向柱状晶再向枝晶转变，试样的硬度和抗拉强度均高于未添加SiC粉末试样。当加入的SiC粉末体积分数为0.5% 时，试样的硬度和拉伸强度最大，分别达到了371.1 HV和1.51 GPa，相比未添加SiC粉末试样分别提升了7%和54.8%。因此，SiC粉末的加入虽然提高了顶面的粗糙度及孔隙率，但可转变和细化晶粒，增强位错密度提高力学性能，进而提升试样综合使用性能。

为了获得气孔率低、玻璃料完全熔化、形貌良好的焊缝, 采用响应面法中的设计原理, 建立了玻璃激光焊接中焊缝缺陷面积占比率与工艺参数(预烧结峰值温度、激光功率、焊接速率和离焦量)的数学模型。基于所建模型, 理论分析了各工艺参数对焊缝缺陷面积占比率的交互影响趋势, 并对工艺参数进行了优化。结果表明, 在预烧结峰值温度为440℃、激光功率为37W、焊接速率为0.1m/min、离焦量为14.4mm的优化参数下进行实验, 焊缝中气孔面积和玻璃料未完全熔融面积之和仅占焊缝总面积的0.512%, 与模型预测结果吻合, 焊缝表面形貌良好, 焊缝剪切强度为17.765MPa, 高于标准值。该模型优化出的工艺参数是合理的, 该研究有助于提高玻璃激光焊接质量。

为了验证真空环境对玻璃激光焊接气孔形成的影响, 采用在大气及真空条件下进行玻璃激光焊接对比试验的方法, 对两种条件下气孔率随激光功率的变化及玻璃料向两端扩展的程度进行了理论分析和实验验证。结果表明, 气孔的成因不仅是玻璃料中残存的气体, 功率提高至45W后, 不稳定成分的升华与分解产生了更多气体, 进一步提高了气孔率;真空条件对焊缝扩展影响较小, 无明显差异; 而真空条件下的气孔率要显著大于在大气条件下的气孔率;真空条件下气孔面积更大, 但增大的气孔面积并不能扩大玻璃料的扩展宽度。该研究结果进一步地揭示了玻璃激光焊接下气孔的形成机制。

为了解决6061铝合金在激光焊接过程中出现的易变形、变形大的问题, 采用施加超声波以辅助焊接的方法, 以1mm厚的6061铝合金薄板为研究对象展开超声波辅助激光焊接试验, 探究超声波对6061铝合金焊接变形的抑制作用; 利用单因素试验方法分析了超声波功率对焊接变形的影响规律, 设计包括超声波功率、激光功率、焊接速率、离焦量、保护气流量在内的五因素五水平正交试验, 分析了超声波功率以及常规焊接参量分别对焊接变形的影响程度, 并获得了能够得到最小变形的工艺参量组合。结果表明, 焊接变形会随着超声波功率的增加而减小, 超声波功率800W时较无超声情况下试件的挠曲变形及角变形分别减小了51.27%和51.46%; 同时, 当激光功率为1000W、焊接速率为5m/min、离焦量为+1mm、保护气流量为15L/min、超声波功率为800W时,可以获得变形最小的试件, 所得到的试件挠曲变形量为0.42mm, 角变形量为0.26mm。此研究为超声波辅助焊接在控制薄板焊接变形方面的应用提供了一定的工艺和理论参考。

随着光电技术的快速发展,填充玻璃料的激光玻璃焊接技术已被广泛用于光电器件的封装领域。为了实现对激光焊接过程的实时监测,保障焊接质量,本课题组搭建了一套针对玻璃激光焊接的实时观测系统,该系统规避了玻璃料在激光作用下产生的杂波干扰;之后,采用该系统观测了玻璃涂料区域未完全连接、完全连接及连接区域扩展三种典型的耦合行为,分析了耦合过程中气孔的产生机制,发现了杂质型气孔在玻璃料与玻璃基板耦合行为中的运动规律,分析了气孔溢出过程中密集型气孔与杂质型气孔相作互用的特点。结合实时观测结果,得到了气孔溢出过程中气孔面积随时间变化的规律。试验结果表明,生成的密集型气孔有助于杂质型气孔的溢出,在丝印宽度为0.8 mm的玻璃料上,通过偏置激光束0.2 mm可以有效控制气孔的溢出方向。

为了获得成形良好、气孔少的玻璃焊接焊缝, 采用在中间层添加对激光波长不透明玻璃料的方法, 对玻璃与玻璃激光焊接中出现的气孔问题进行了研究。以半导体激光作为热源, 搭建了用于玻璃与玻璃激光焊接的成套焊接设备, 对玻璃与玻璃激光焊接工艺进行了实验研究。通过分析气孔分布特征, 统计焊缝气孔率, 测量气孔尺寸, 对比焊缝正、反面形貌差异, 研究了激光平均功率、焊接速率等工艺参量对焊缝气孔产生的规律及表面形貌的影响。结果表明, 当激光功率过小、焊接速率过慢时, 不利于抑制焊缝中气孔的产生, 并且出现未焊上的情况; 随着激光功率、焊接速率的增加, 焊缝当中的气孔率显著上升; 在激光功率P=35Ｗ、焊接速率v＝0.1m/min、离焦量d=-15mm时, 可获得成形良好、气孔直径在3.696μm以下且分布均匀的焊缝, 连接强度高。此研究可为玻璃的激光封接制造提供理论依据, 具有广泛的工业应用前景。

针对激光单道焊接厚板过程中因根部熔池滴落造成焊缝难以成型的问题,提出稳定磁场和电流产生的向上安培力对根部熔池进行辅助支撑焊接厚板的方法。实验结果表明单独电流或磁场的存在对厚板焊接熔池滴落行为影响很小,但引入安培力后根部熔池滴落得到抑制,改善了熔池流动性,焊接过程更加稳定,焊缝成型质量良好,呈现Y字型。相同的激光功率等工艺参数条件下,改变安培力大小和方向可以有效控制焊缝的深度,扩展了焊缝质量控制工艺参数。该方法极大地提高了厚板的焊接效率和焊接质量,为解决激光单道焊接厚板“要么不透,一透就漏”的难题提供了新的工艺方法,单道焊接厚度达到30 mm。

脉冲激光烧蚀青铜过程中, 青铜吸收激光能量形成等离子体, 等离子体会膨胀离开材料表面。依据等离子体膨胀物理过程, 采用泊松分布, 建立等离子体膨胀空间浓度分布方程、膨胀压力方程与动力学模型。应用模型数值分析了脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮等离子体膨胀特性, 得到等离子体膨胀尺度值在X、Y与Z方向约为4.2×10-4 m, 3.8×10-4 m, 1.00×10-3 m; 计算了等离子体的最大浓度约为1.229 4×1022 m-3; 激光透射率约为100%, 等离子体屏蔽效应低。开展脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮实验, 采用光栅光谱仪测量了等离子体空间发射光谱, 计算了等离子体电子温度的值约为：675 3 K、等离子体电子密度值范围约为：1.159 3×1016 cm-3~1.925 1×1016 cm-3。实验表明相关条件下, 脉冲激光烧蚀青铜等离子体浓度低, 同时数值仿真值在实验测量范围内, 验证等离子体膨胀模型的正确性和可行性, 为后续等离子体研究提供理论指导和优化。

为了获得高精度、高光洁度和高质量的随形水路模具, 达到良好冷却效果。采用HANS M160选区激光熔化(SLM)设备对1.270 9模具钢粉末进行单因素试验法探究重复扫描次数、扫描偏置对成形质量的影响, 并对比添加激光轮廓参数后对成形质量的影响。结果表明, 当激光功率150 W、扫描速度1 150 mm/s、扫描间距50 μm、铺粉层厚为30 μm, 轮廓扫描次数为1次、扫描偏置为0 mm时, 此时的输入能量密度为86.96%, 可以获得硬度367 HV0.1, 侧面粗糙度5.69 μm, 致密度高达98.61%。经过试验验证, 添加激光轮廓参数能改善制件的成形质量。

采用不同功率的飞秒激光对单晶金刚石分别进行了单脉冲分离烧蚀实验和多脉冲累积烧蚀实验,计算得到了单晶金刚石材料的单脉冲烧蚀阈值和多脉冲累积烧蚀阈值,并研究了多脉冲作用下单晶金刚石烧蚀阈值的变化。结果表明:单晶金刚石的飞秒激光单脉冲烧蚀阈值为8.80 J/cm ²;随着有效脉冲数增加,烧蚀阈值逐渐减小;当有效脉冲数小于124时,烧蚀阈值随有效脉冲数的增加而急剧减小;当有效脉冲数增加到486后,烧蚀阈值减小的趋势趋于平缓。有效脉冲数486、激光平均功率10.7 W是最优的激光加工工艺参数。