针对同轴送粉的激光定向能量沉积(DED),结合送粉方程与VOF (Volume of Fluid)方法,提出了沉积层计算模型,采用固定坐标系下的移动边界条件,对单道IN718成形过程进行了实时模拟,并进行了实验验证。结果表明:在单层单道沉积加工下,随着扫描速度从8 mm·s -1增加到14 mm·s -1,沉积层高度和宽度分别减小了57.1%和21.6%,计算所得沉积层高度、宽度及熔深与实验结果吻合良好。在此基础上,计算了在单向平行搭接方式下搭接率为30%的单层双道沉积层温度场分布,得到了不同搭接时刻沉积层的温度变化规律。受第一沉积层热累积的影响,熔池潜热效应会使搭接加工时的表面最高温度略低于单道加工时的表面最高温度;同时受搭接沉积层在扫描过程中高温状态的影响,第一沉积层在搭接扫描过程中会出现回温现象,回温区间为1000~1600 K,幅度为100~300 K。该研究成果对深入理解同轴送粉激光定向能量沉积工艺机理以及工艺优化具有重要意义。

定向能量沉积过程的智能化建模有助于解决沉积制造精度低的问题。以沉积工艺参数(激光功率、送粉速率、扫描速率、喷嘴高度)为输入、熔道宽度和高度为输出设计实验,建立基于高斯径向(RBF)核函数的支持向量回归(SVR)模型,采用该模型对熔道尺寸进行预测,并采用改进的粒子群优化(PSO)算法对RBF-SVR的超参数进行自动全局寻优。结果表明:RBF-SVR预测熔道宽度和高度的平均相对误差分别为4.58%和5.33%,小于反向传播(BP)神经网络预测的平均相对误差(6.72%和7.96%);所建模型适用于定向能量沉积熔道尺寸的预测,并能对沉积成型工艺参数的选取提供帮助。

为了研究激光熔覆过程中熔池内的温度场特征及其对凝固后的微观组织的影响, 建立了描述熔覆过程的对流扩散固液相变统一的数学模型, 模拟了激光熔覆过程中熔池在不同时刻的温度场和速度场, 计算出熔覆层内不同位置的温度梯度、冷却速度和凝固速度。计算结果表明, 熔池内液体的流动对熔池内温度场分布有较大影响。距离熔覆层顶部越远, 冷却速度减小, 温度梯度增大, 凝固速度减小。这种温度场特征决定了从熔池底部到顶部的凝固组织类型及组织大小的变化特征, 并据此对熔覆层的凝固组织类型进行预测, 与实验结果吻合良好。

采用激光直接焊接的方法，研究网络滤波器的无铅化封装技术，通过3种不同的方式进行了实验研究和理论分析，获得了将网络滤波器中直径为0.10 mm的极细铜芯漆包线在不去除绝缘漆的情况下直接焊接到铝引脚上的方法和途径。结果表明：焊接时用激光照射铜芯漆包线，去除绝缘漆后再熔化高熔点的、流动性好的铜芯，熔化后的液态金属铜向下流动，包覆难于焊接的、流动性差、易氧化、易形成气孔等焊接缺陷的铝材引脚，然后再与铝发生溶解、扩散，最后形成良好焊点。这种不需去除绝缘漆的方法使焊接过程大大简化，且满足无铅化的要求；通过辅助电路，能在一定程度上提高焊接的可靠性，便于进行自动化。

为了解决送粉激光熔覆系统中因重力作用发生偏聚及水冷效果差等问题，采用以激光束轴心为中心轴圆周均匀分布送粉孔的方法，设计了一系列孔式同轴送粉喷嘴（主要结构包括激光束通道、保护气体通道、水冷通道、气载送粉通道），从而获得良好的粉末流形态，提高送粉激光熔覆的质量。用该系列喷嘴在竖直（90°），60°，30°和水平（0°）等工况下进行粉末汇集性实验，发现粉末汇集效果良好。通过对Ti和Ni粉末、工具钢和等材料进行熔覆实验，送粉系统输送的粉末稳定、均匀，得到的熔覆样品表面光滑、熔覆层组织均匀，熔覆层与基体呈冶金结合。结果表明，孔式同轴送粉系统较好地满足了激光熔覆对送粉喷嘴的要求，并且能用来进行多种元素粉末的材料合成。所开发的送粉系统适用于材料表面改性和熔覆3维制造。

为了提高激光无铅钎焊的速度, 对影响激光无铅钎焊速度的因素(如激光的参数、所用钎料和基体的特性、钎焊的系统结构等)进行了分析研究。研究认为, 在激光器、钎料及基体等已定的情况下, 相对于那些受到机械惯性制约的移动激光加工头或移动工作台的激光钎焊系统, 一种配备了振镜扫描系统和f-theta聚焦透镜的激光钎焊系统具有更高的钎焊速度。另外, 对激光钎焊过程中激光束的扫描路径进行了优化, 这种优化能在不增加硬件成本的基础上大大缩短总扫描路程, 较大程度地提高激光钎焊速度。最后通过实例对激光钎焊的快速性进行了验证。

为了研究光纤激光软钎焊中激光脉冲频率和扫描方式对焊接质量的影响，通过用12 W的100%功率的SP-12P型脉冲式光纤激光扫描软钎焊系统在覆铜板上对Sn-Ag-Cu无铅钎料进行软钎焊实验，并对不同脉冲频率、不同扫描方式下的激光软钎焊技术进行实验研究。结果表明，在直线扫描方式下，高于超声波频率的500 kHz脉冲激光束作用于焊点时，会在钎料与焊盘之间的界面处发生空化作用，破碎氧化膜，使钎料在焊盘上润湿铺展，实现脉冲激光对无铅钎料Sn-Ag-Cu在覆铜板上的扫描软钎焊。

为了优化铜磷合金粉末选区激光熔化快速成型的工艺参量，采用有限元分析软件ANSYS对其温度场进行了模拟，经理论分析和实验验证，获得了其温度场分布的数据。对材料未知温度范围内的热特性参量用插值法近似获得，采用不等网格剖分方式，用热焓去处理相变潜热问题。结果表明，其温度场的等温线分布为椭圆形，用模拟遴选的工艺参量(在铺粉厚度为0．22mm时，选用激光功率为100W、扫描速度为0．25m／s和激光束半径为0．1mm)能实现选区激光熔化快速成型。这一结果对其它粉末材料的选区激光熔化快速成型也是有帮助的。

The coupled numerical simulation on fluid flow, heat transfer, and mass transfer in the process of laser cladding is undertaken on the basis of the continuum model. In the simulation of mass transfer in the laser molten pool, the concentration distribution in the regions on different sides of the interface between cladding layer and substrate is calculated separately and coupled at the co-boundary. The non-equilibrium solute partition coefficient is obtained from equilibrium solute partition coefficient according to the Sobolev model. By using the developed software which is based on the commercial software PHOENICS 1.4, the distribution of Fe in laser molten pool in an experiment of cladding Stellite 6 on 12CrMoV is calculated. The obtained results well coincide with the experimental ones.

The frequent defects of the metal parts, such as non-fully melting, thermal strain, and balling, which are produced by selective laser melting (SLM) that is a novel method of one-step manufacturing, are analyzed theoretically and experimentally. The processing parameters significantly affect the quality of the final parts, and simultaneously, the appropriate laser mode and the special scanning strategy assure a satisfying quality of the final parts. The SLM experiment is carried out using Cu-based powder. The metal part is divided into several scanned regions, each of which is scanned twice at the cross direction with different scanning speeds. The microstructure is analyzed on microscope. The results show that the part is metallurgically bonded entity with a relative density of 95%, and the microstructure is composed of equiaxial crystal and dendritic crystal whose distributions are mainly decided by the scanning strategy.