针对曲面激光增材制造钛/铝异质材料温度场和熔池形貌的调控难题，采用有限元模拟方法，对激光定向能量沉积（LDED）钛/铝异质材料起始及稳态沉积过程进行数值模拟，通过控制变量研究了激光功率、扫描速度对熔池形貌、宽深比及温度场的影响规律，并进行了实验验证。研究结果表明：LDED成形钛/铝异质材料的熔池热行为、形貌等随激光参数发生显著变化，当扫描速度为0.32 rad/s时，随着激光功率从1400 W增至2300 W，熔池最高温度从1525.5 ℃升至3289.8 ℃，熔池的体积从1.16 mm³增至7.73 mm³，熔池宽深比与激光体能量密度呈负相关。当激光功率为2000 W，扫描速度为0.32 rad/s时，Al-Ti异质材料层的熔池宽深比最大，为1.84，起始堆积Ti层的宽深比次之，为1.42，稳定堆积Ti层的宽深比最小，为1.22。实验得到的熔池宽度为0.61 mm，熔池形貌与有限元模拟熔池形貌吻合良好。

为了提高激光淬火硬化层形貌的均匀性，提出了一种基于振镜变速扫描的激光淬火光学系统。系统由QBH(quartz block head)、准直聚焦一体镜、单轴振镜和振镜变速扫描控制系统等组成。通过设定振镜扫描系统的变速区域宽度和变速系数，可实现能量中间低、两端高的“鞍形”光场分布。建立了重复变速扫描系统的等效热作用光场模型，并通过ANSYS软件模拟了45钢激光淬火过程中的温度场。重点分析了振镜扫描系统的变速系数和变速区域宽度对淬火后相变硬化层均匀性的影响。仿真结果表明，变速系数或变速区域的增大改善了硬化层的均匀性。采用千瓦级光纤激光器作为光源，进行了等变速区域不同变速系数的激光淬火实验。取硬化层深度降低至最大值90%的位置作为匀化区域的边界，变速系数为0.8时获得的硬化层的匀化区域宽度为5.1 mm，比振镜匀速扫描的匀化效果提升了约42%，实验结果与仿真结果吻合较好。

单一材料难以满足日益严苛的工业需求，而具备梯度性能的多材料构件应用前景广阔。利用激光直接能量沉积(Laser Directed Energy Deposition，LDED)技术成形了316L/Inconel 718多材料试样，基于有限元生死单元法，建立了LDED成形多材料有限元模型，考虑了LDED成形过程中异质材料热量传输方式，研究了激光功率和扫描速度对316L/Inconel 718界面热行为、界面缺陷演变及界面结合性能的影响规律。研究表明：当成形Inconel 718层的扫描速度由7 mm/s增至20 mm/s时(激光功率为1100 W)，熔池最大温度梯度由6.02×10⁵ ℃/m增至1.19×10⁶ ℃/m；而液相存在时间由0.52 s降至0.125 s，重熔深度由0.45 mm降至0.22 mm。当成形Inconel 718层的激光功率由900 W增至1500 W(扫描速度为10 mm/s)时，最大温度梯度由8.15×10⁵ ℃/m降至6.93×10⁵ ℃/m；液相存在时间由0.3 s增至0.4 s，重熔深度由0.28 mm增至0.48 mm。当激光功率为1100 W，扫描速度为10 mm/s时，模拟结果表明316L/Inconel 718界面结合良好。最后，采用工艺实验验证了模型的准确性。

以镁合金/钢对接接头为研究对象,选用组合热源模型模拟激光诱导TIG电弧复合热源的作用,考虑激光与TIG电弧的耦合效应及Fe-Ni固溶区的形成,利用ANSYS软件对焊接温度场分布和热循环曲线进行模拟计算。结果表明:所得模拟结果与实验结果吻合良好,验证了所建热源模型的准确性及适用性;镁合金/钢对接焊接头的峰值温度可达2249 ℃,焊接高温作用于镍夹层及其邻近的钢母材,促进了界面的冶金反应及元素扩散,为Fe-Ni固溶区、高熔点AlNi相及双固溶体结构界面层的形成提供了温度条件;液态镁合金熔池停留时间为0.28 s,能保证其在钢侧进行充分的润湿铺展,实现接头的良好成形;在熔池的搅拌作用下,AlNi强化相弥散分布,使得镁合金焊缝的强度增大。

采用有限元方法(FEM),考虑了粉末-实体状态的转变以及相变潜热等因素,建立了不同扫描速度下的单层多道温度场仿真模型,并结合实验分析缺陷的产生、微观组织以及力学性能的各向异性。实验结果表明:随着激光扫描速度的增加,液相的润湿性降低,内部孔隙率增大,且熔池的深度和宽度逐渐减小,不易形成良好的冶金结合。熔池内包含大量的胞状晶和树枝状枝晶,高温度梯度易诱导产生胞状晶,而低温度梯度易诱导产生树枝状枝晶。仿真结果也表明,由于不同方向上温度梯度的差异性,横截面与纵截面的平均晶粒尺寸、晶粒取向、应变分布以及晶界取向差分布呈现一定差异。另外,水平放置的试样具有较高的屈服强度,但延性明显低于沿着构建方向且具有细长柱状晶粒的垂直放置试样。

为了在激光加热辅助切削(LAM)氮化硅陶瓷试验中获得较高的加工表面质量和加工效率, 实验并分析了各加工参数对温度分布和表面完整性的影响, 为在加工中选取合适的参数提供依据。利用ANSYS软件对切削区域温度场进行仿真, 探索了激光功率改变时温度的变化规律, 得到了各参数下的软化层深度, 并通过试验验证仿真结果的正确性。根据仿真得到的软化层尺寸选择合适的背吃刀量, 通过单因素试验确定主轴转速和进给速度的理想范围。结果表明, 在激光功率为180~210 W、主轴转速为700~900 r/min、进给速度为0.01~0.013 mm/r时按照仿真得到的背吃刀量进行试验可以获得较低的表面粗糙度和较高的材料去除率。研究表明, 试验结果与仿真结果基本吻合, 可以采取先仿真后试验的方法得到合适的加工参数, 从而达到在获得较高表面质量的同时提高加工效率的目的。

为了研究激光功率对液压支架立柱母材27SiMn钢激光淬火处理的影响, 利用ANSYS有限元软件模拟了激光淬火的过程, 得到了不同功率下温度场分布。在27SiMn钢表面进行了与数值模拟相同条件下的激光淬火实验, 并分析了宏观形貌、显微组织和显微硬度。结果表明, 数值模拟和实验所得到的淬火区深度基本一致。数值模拟中, 工件峰值温度随激光功率增大而增大, 整个温度场截面呈半月牙状; 实验所得到的硬化层形貌与仿真结果类似, 呈半月牙状。淬火后基体表层形成了细小致密的马氏体组织, 且硬化层的硬度比基体增加了2.5倍以上, 并且随着激光功率增加, 硬化层的深度和硬度也逐渐增加。

拉深工艺是工业制造中使用极为广泛的一种成型工艺, 拉深过程中特别是在多次变形或变形量较大的冷拉深环节, 容易发生加工硬化现象, 一方面使得后续加工变得困难; 另一方面, 由于塑性和韧性的降低, 工件在变形过程中或变形一段时间后容易发生开裂。采用光纤耦合半导体激光器, 对发生加工硬化的304不锈钢容器器壁进行了激光软化处理, 研究了加工硬化区域材料在激光辐照这种非平衡条件下的组织相变与再结晶现象, 同时, 利用COMSOL软件对该工艺的温度场等进行了模拟。研究发现, 当所使用的激光参数使得扫描区域的最高温度在724 ℃至1 040 ℃之间时, 加工硬化区域的板条状马氏体均转变成奥氏体, 其中, 最高温度在724～850 ℃之间时, 材料硬度大幅降低并出现再结晶晶粒; 最高温度在950～1 040 ℃之间时, 组织发生完全再结晶, 硬度降低到未拉深之前的水平。

采用3 kW半导体宽带激光器在28CrMoNiV钢基板上进行了激光熔覆试验，并结合热影响区（HAZ）温度场模拟优化了再制造工艺。通过光学显微镜、扫描电镜和X射线衍射仪对HAZ和基体的组织进行了分析。最后通过拉伸试验对修复后的熔覆HAZ进行了性能测试。结果表明，单层熔覆HAZ主要产生了马氏体相变，并在HAZ顶部发现了马氏体和铁素体的不良组织。模拟结果表明，该不良组织可以通过三层以上的多层熔覆方法消除。拉伸性能测试结果表明，三层熔覆HAZ的平均抗拉强度达到927.35 MPa，高于基体或单层熔覆HAZ；断后伸长率达到10.23%，较单层熔覆HAZ有所提高，更接近基体性能。