激光增材制造(LAM)技术是智能制造的代表性技术之一，同时也是当前用于金属材料增材加工的主流技术。LAM成型的金属产品具有几何自由度大、尺寸精度高、质量和性能好等优势，已在航空航天、生物医疗、****等行业中取得了广泛而重要的应用。LAM成型涉及以激光为热源的高温加热过程，因此通常需要对加工区域进行惰性气氛保护，避免空气对金属材料的污染。近几年来，利用N₂、Ar-O₂、Ar-N₂、Ar-CH₄等活性保护气氛的LAM技术快速兴起，在多种金属材料的力学性能提升方面取得了令人瞩目的成果，历史性地突破了气氛改性类技术难以影响材料内部的难题。同时，还涌现出在LAM加工前利用活性气氛改性打印原材料的新技术路径。本文针对活性气氛LAM这一颇具前景的新兴技术，阐述了国内外在近年取得的研究进展：从活性气氛保护的LAM加工与LAM原料活性气氛改性处理两大技术方向出发，归纳分析了这一新技术对钢铁、钛合金、铝合金、高熵合金等代表性金属材料的影响，系统比较了材料在力学性能等方面的提升、在组织与成型质量方面的变化，并详细揭示了其作用机理。同时，本文总结了活性气氛LAM技术面临的机遇和挑战，并对进一步明确气氛改性机理、扩展其应用范围提出了相应的展望。

研究了氦-氩混合保护气体对铝合金激光- MIG复合焊熔滴过渡行为及焊缝气孔缺陷的影响,结合焊接过程中匙孔的动态特征,分析了气孔缺陷得到抑制的原因。结果表明,采用氦-氩混合保护气体时,焊接过程匙孔更加稳定,焊缝气孔率得到有效降低。当氦-氩混合保护气体中氦气体积分数为50%时,熔滴过渡形式由射滴过渡转变为短路过渡,焊缝气孔率约为1.0%,相比于纯氩气保护时降低了80%;继续增加氦气,对气孔的抑制并无显著效果。纯氦气时,焊接过程中产生大量飞溅,焊缝表面成形差。

为了研究保护气体流量对复合焊接接头形貌及熔滴过渡的影响, 采用5mm厚的高强钢板材进行了激光电弧复合焊接试验的理论分析和实验验证, 获得了不同气流量下的焊缝形貌以及焊接过程中电弧和熔滴图像。结果表明, 随着保护气体流量的增大, 焊接熔深先增大后减小;当保护气体流量在25L/min, 焊接熔深达到最大; 且焊缝的铺展性较好, 飞溅较少; 保护气体流量通过影响熔滴过渡的形式, 对熔滴过渡频率产生影响; 随着气流量的增大, 熔滴过渡频率减小, 且在25L/min时, 熔滴过渡频率较稳定; 采用FLUENT软件对气流量进行数值模拟, 气流量越大, 保护气体流速越大, 在工件表面的作用面积减小。该研究结果为实际工程应用中选择保护气体流量制备高质量的焊缝奠定了基础。

在不同气压的高纯N2、Ar及N2/Ar混合气体保护条件下, 采用光纤激光器对厚度为2 mm的奥氏体304薄板进行了焊接试验, 研究了保护气体压强、气体类型和混合比例对焊接接头形貌及力学性能的影响。结果表明, 保护气体压强越大, 焊缝熔深就越大, 但气体压强对焊缝强度和硬度无明显影响。使用N2/Ar混合气体作为保护气体时, N2在保护气体中所占比例越大, 焊缝的熔深就越大, 而且使用不同比例的保护气体得到的焊缝均呈“丁”字形; 保护气体类型及比例对焊缝强度和硬度没有显著影响, 但焊缝的强度和硬度均大于母材。

对8.0 mm厚低合金高强钢采用激光-MAG复合焊接, 取5组不同比例保护气体(CO2+Ar), 研究焊接工艺特性, 对接头硬度、拉伸、弯曲、冲击性能进行分析, 并从断口特征方面对其断裂原因和机制进行研究。结果表明, 保护气体对工艺特性及硬度影响较大。焊接接头拉伸强度足够, 均在母材处拉断, 拉伸断口形貌为较为粗大的韧窝。正弯断口大多为细小韧窝, 背弯断口大多为粗大韧窝和部分解理面。焊缝区冲击功低于热影响区, 保护气体比例和冲击温度对接头冲击韧性影响较大。

研究了保护气体中O2含量对CO2激光-熔化极气体保护(GMA)复合焊焊缝合金元素均匀性和熔池流动行为分布的影响规律。结果表明，焊接方向为激光在前时，电弧保护气体中O2含量对复合焊焊缝均匀性具有明显的作用。保护气体中O2体积分数含量达到2%以上时，复合焊焊缝中合金元素的分布基本均匀。对于He-Ar惰性保护气体，在小孔后沿的熔池区域形成了外向流动；而当保护气体中O2含量达到2%以上时，熔池流动为内向流动。保护气体中O2含量对焊缝合金元素分布的影响规律主要取决于Marangoni对流。当电弧保护气体加入大于等于2%O2时，Marangoni对流方向由外向流动变为内向流动，促进了整个熔池的内向流动，获得了合金元素的均匀分布。

为了研究保护气体对奥氏体不锈钢焊接接头力学性能的影响，在相同线能量条件下对加保护气体与不加保护气体两种焊接方式进行了对比研究。采用Nd:YAG 激光器对厚度为0.7 mm 的奥氏体不锈钢进行激光焊接，用扫描电子显微镜、显微硬度计、材料试验机等仪器对焊接接头的微观组织及力学性能进行表征及测试。结果表明，在相同的激光工艺参数下，两种焊接方式均实现完全焊透，且焊缝成型良好。不加保护气体时，随着焊接速度的降低，接头抗拉强度随之降低，最多降低了20%。加入保护气体后，接头的抗拉强度变化平稳，均为母材强度的90%以上。

采用机器人光纤激光焊接系统, 进行了厚度为1.8 mm幅面为100 mm×200 mm的TC4钛合金激光焊接试验。为确保焊缝的质量, 设计了一套气路保护装置。研究了激光功率、焊接速度、离焦量和保护气体流量等参数对焊接质量的影响, 获得了优化焊接工艺参数: 激光功率850～900 W、焊接速度0.7～0.9 m/min、离焦量-0.8～-0.5 mm。

用上海团结普瑞玛激光设备公司的SLC-X1225-H型激光焊接机, 配置数控送丝系统对厚为2～6 mm 的30CrMoSiA钢作了激光填丝拼焊的焊接试验。研究了激光功率、材料厚度、焦点位置、喷嘴高度、送丝速度、保护气体等参数对焊接速度、熔透率和焊接质量的影响。

为了研究保护气体对铝合金CO2激光-熔化极惰性气体保护电弧复合焊的焊缝成形和熔深等的影响，采用不同流量的He和Ar混合保护气体在5052铝合金板上进行激光-熔化极电弧复合焊工艺试验的方法，进行了理论分析和实验验证，取得了焊缝成形、熔深、焊接电压等数据。结果表明，复合焊时采用单He气会造成熔化极惰性气体保护焊的电弧电压增大，电弧稳定性变差，从而影响铝合金CO2激光-熔化极惰性气体保护焊复合焊的熔深，少量的Ar气加入有利于改善焊缝表面质量和稳定电弧，提高焊缝熔深的效果，当V(Ar)∶V(He)=5∶25时，熔深最大，但He气中加入大量的Ar气会降低焊缝熔深，甚至抑制激光深熔焊接；当采用纯Ar气作为保护气体时，虽然焊缝成形美观，但焊缝熔深很小。这一结果对铝合金CO2激光-熔化极惰性气体保护电弧复合焊焊缝成形质量分析具有较好的理论和工艺指导意义。