采用高功率光纤激光对20 mm厚Q345碳钢进行激光切割的工艺探究并观察切割后的重铸层和热影响区的微观组织。采用多组单因素实验, 对比研究了激光功率、切割速度、辅助气体压力、离焦量对切割质量的影响规律, 最佳工艺参数为激光功率8 kW、切割速度0.6 m/min、离焦量+10 mm、氧气辅助压力140 kPa、喷嘴直径1.4 mm、切割高度0.5 mm。通过SEM观察了切割后碳钢样品横截面的微观形貌, 发现了重铸层及热影响区与基材之间微观组织形态与尺寸的差异, 并分析了重铸层及热影响区微观组织的形成机理。研究成果有助于超高功率光纤激光切割技术在中厚钢板切割领域应用的推广。

利用IPG YLS-6000型光纤激光器和摆动焊接头对Q235钢进行了线性焊接和摆动焊接试验,对比分析了两种焊接接头的显微组织及力学性能。结果表明:激光束摆动焊接较线性焊接可显著增加焊缝宽度(1.34 mm→1.60 mm);两种焊接接头各微区的显微组织相同,焊缝组织为板条马氏体、板条贝氏体和晶界铁素体,热影响区的完全奥氏体化区主要为铁素体和板条马氏体,不完全奥氏体化区则为晶粒尺寸不均匀的铁素体和珠光体;摆动焊接接头的整体硬度高于母材,焊缝纵向抗拉强度约为母材的1.74倍,延伸率仅为母材的66.7%,冲击韧度可达母材的90%左右,与线性焊接接头具有相同的力学性能。摆动焊接可以有效降低激光焊接对组对间隙的要求,且对焊接接头的硬度、强度和韧性无不利影响。

为了提高海洋用钢的表面性能,采用激光熔覆技术在Q235钢板表面熔覆了QAl-7铝青铜合金,并对其组织以及熔合线处的铜渗透现象进行了研究。研究结果表明,铝青铜熔覆层在凝固过程中会发生液相分离以及过饱和脱溶现象,其组织主要由富铜相(Cu₃Al、Cu₉Al₄)以及富铁相(AlFe₃、AlFe)构成。熔池中的铜液沿着基体钢奥氏体晶界润湿扩展,在热影响区形成铜渗透现象。铜渗透深度与熔合区的宽度有关,熔合区越宽,铜渗透越深。通过控制激光熔覆工艺参数减少熔合区的宽度进而控制渗透深度,从而抑制铜渗透裂纹的产生。

激光除锈技术是一种新型、绿色环保的除锈方法。对一些在极易生锈的工作环境中的低碳钢构件，采用激光除锈技术代替传统除锈方法，有广阔的发展前景。激光除锈技术主要利用辐射在锈蚀表面的激光能量高、脉冲短的特点，使锈蚀温度很快达到熔点以上。但在除锈的同时，会有部分激光透过锈蚀层直接与金属基底作用，以及辐射在锈蚀表面的激光也会通过热传导将部分能量传递到金属基底表面。本文采用实验分析手段，对金属基底表面的微观组织、力学性能、硬度等进行对比研究。结果表明，所采用的激光除锈工艺在获得良好的除锈效果情况下，对金属基底没有造成损伤，对金属基底表面性能没有产生显著影响.

异种材料焊接是使零部件具有多功能的有效途径, 但材料性能差异导致焊接接头效果不佳。采用300 W的Nd∶YAG脉冲激光器, 对低碳钢和奥氏体钢进行激光焊接, 研究了激光焊接接头的微观组织、显微硬度及拉伸性能的变化规律, 探讨了微观组织与力学性能之间的本质关系。结果表明, 低碳钢的微观组织是铁素体+马氏体, 奥氏体钢的微观组织是具有孪晶结构的奥氏体。低碳钢-低碳钢焊接接头焊缝区显微组织是板条马氏体, 热影响区组织是马氏体+铁素体, 焊缝区硬度是母材的1.85倍, 拉伸断裂位置位于母材; 奥氏体钢-奥氏体钢焊接接头焊缝区的显微组织是等轴状和柱状奥氏体, 无明显的热影响区, 焊缝区硬度与母材持平, 拉伸断裂位置位于焊缝, 焊接过程中孪晶的消失使奥氏体钢塑性明显降低; 低碳钢-奥氏体钢的焊接接头焊缝区显微组织与奥氏体钢自身焊接组织一致, 仅在低碳钢一侧存在明显热影响区, 焊缝硬度高于奥氏体钢母材而与低碳钢母材持平, 拉伸断裂位置位于奥氏体钢母材; 三种焊接接头拉伸断裂方式均为韧性断裂。

激光除锈作为一项新兴的清洗工艺，在碳钢表面除锈领域潜在巨大的发展前景。采用1 064 nm波长的连续光纤激光器，研究了激光功率、离焦量和扫描速度对激光除锈效果的影响，通过清洗前后碳钢表面元素含量的变化分析得到准确的优化工艺参数。由金相观察进一步论证了激光除锈的良好效果，并发现在激光作用下产生的硬化层有助于提高碳钢表面的硬度，达到理想的激光清洗效果。

采用脉冲激光和光纤激光分别对碳钢进行激光焊接工艺研究。通过优化焊接工艺参量, 均可以得到较好的焊接焊缝, 而且焊缝的显微硬度均大于母材。对两种不同类型激光焊接的焊缝形貌、微观组织、显微硬度进行对比分析, 发现光纤激光焊接的外观更平整, 焊缝质量更好, 焊缝组织的显微硬度提高了43%。

针对不锈钢-碳钢层合板制备方法中结合面存在的缺陷问题，采用激光熔覆法制备金属层合板。调整激光功率和扫描速度两个主要工艺参数，研究其对层合板金相组织的影响。通过不锈钢-碳钢层合板金相组织分析以及拉伸试验研究，优化层合板激光熔覆工艺参数。结果表明：随着激光能量密度的增大，不锈钢-碳钢层合板界面波高依次呈0.01～0.03 mm、0.08～0.10 mm和0.11～0.14 mm三种形态，且熔覆层厚度逐渐增加。随着界面波高的增大，屈服强度逐渐增大，当不锈钢-碳钢层合板界面金相组织形态呈波高为0.11～0.14 mm时，屈服强度为410 MPa。激光熔覆制备方法获得了不锈钢-碳钢冶金结合及组织性能均良好的层合板，屈服强度和延伸率均达到了不锈钢层合板的标准要求，表明此工艺方法是可行的，为激光熔覆制备层合板的广泛应用提供了理论和试验依据。

激光诱导等离子体光谱法作为一种新兴的元素成份分析方法近年受到广泛关注, 采用这种方法可以快速对物体进行元素成分的定量分析。在实验中用激光诱导等离子体光谱法 (LIPS) 来 测量碳钢中的碳含量。将Nd:YAG激光器发射的激光聚焦到样品表面产生等离子体,选择等离子体发射光谱中的193.09 nm碳 谱线进行分析。得到固态碳钢样品碳含量的定标曲线,检测限为460 ppm。这个结果说明LIPS方法可以用于钢铁中元素 成份的直接定量测量。