利用光纤激光器切割1 mm厚铜-钢-铜层合板时,会出现反射率高、氧气辅助切割表面氧化严重及板材切割后切缝宽等问题。提出了激光预处理法,通过控制能量输入和氧化反应,材料表面产生了浅层熔化,从而预处理区域的元素构成、形貌及物化性质得到改变。最终获得了缝宽小于光斑直径的狭缝光栅试件。利用IPP软件对预处理后浅层熔化区域内的氧化物分布进行了测定,并计算了氧化物面积占浅层熔化区面积的比例。利用预处理法,获得了满足质量要求的狭缝光栅件,切割后的热影响区大大减小且背面无挂渣,切割前后覆层铜材料的性质得到保护,光纤激光切割铜-钢层合板的质量得到保证。

激光圆弧扫描弯曲可实现圆弧槽形舱壁件无模具成形, 研究其曲面变形规律以及其曲面变形特征具有重要的工程应用意义。首先, 详细分析了扫描次数n、圆弧扫描半径R、板材宽度W以及扫描基准线至自由端长度L对矩形金属层合板曲面变形的影响。同时, 结合各参数对曲面变形作用效果及曲面变形量试验测量数据, 求得各参数下曲面变形量经验函数, 并对其变化规律及趋势进行分析。最后, 利用激光圆弧扫描弯曲策略进行了圆弧槽形舱壁件样件试制, 其中单段圆弧槽两侧壁曲率半径均值分别为84.51、86.77 mm。文中方法为矩形金属层合板激光圆弧扫描弯曲曲面变形规律分析及成形圆弧槽形样件提供了试验依据。

翘曲变形是影响层合板激光弯曲成形精度的重要因素, 因此研究激光往复扫描过程中的翘曲变形具有重要的实际意义。文中使用ANSYS软件, 建立不锈钢-碳钢层合板有限元模型, 通过模拟激光作用下层合板的温度场、应力场分布, 结合自由端的变形, 分析了单道往复式扫描翘曲变形机理。模拟结果表明: 随着往复扫描次数的增加, 温度场扫描线两端区域温度交替波动升高使两端热量均衡, 中间区域热累积现象使热应力增大。每次激光扫描后, 激光作用区板材下表面的残余应力场对下次扫描时的翘曲变形都有一定促进作用, 使翘曲变形增大, 1~6次扫描后弦高从0.217 mm增大到0.363 mm, 但随着扫描次数增加, 促进作用减弱, 弦高增长量略降低, 最大值为0.058 mm。对比实验数据和模拟结果, 温度场最大误差为9.85%, 翘曲线Z向位移最大误差为4.33%, 其中, 弦高误差为2.16%, 为层合板激光弯曲成形的精确控制提供了计算依据。

分别对厚度为1.0，1.5，2.0 mm的不锈钢-碳钢层合板进行激光弯曲试验。采用金相显微镜、电子探针和扫描电镜能谱仪对激光弯折区的元素扩散现象进行分析；采用纳米压痕试验测得过渡层附近的纳米硬度及弹性模量分布，对过渡层处纳米硬度、弹性模量和屈服强度的变化进行了分析。结果表明，弯折区过渡层处元素沿板厚方向连续稳定扩散，Fe、Ni、Cr元素扩散范围相近，1.0，1.5，2.0 mm厚层合板的过渡层厚度分别增加了2.5，3.5，3.0 μm。元素扩散促进了过渡层的冶金结合，保证了层合板过渡层的材料性能。

建立了柔性压电智能反射面系统的有限元模型和优化控制模型,给出了结构力学建模和形状控制方法以及相应的优化算法。首先,将蜂窝夹层结构的压电智能反射面等效为多层复合板;基于Kirchhoff假设和经典层合板理论,根据虚功原理推导了柔性压电智能反射面的有限元方程;采用蜂窝等效理论计算了反射面蜂窝夹芯等效弹性模量,有限元模型中的单元为四节点四边形压电板单元,每个作动器单元中引入额外的电势自由度。然后,根据建立的有限元方程,推导了反射面变形均方根误差与作动器控制电压的关系式;以均方根误差最小为优化目标,建立了柔性压电智能发射面的静态形状控制优化模型;采用Lagrange乘子法处理了压电作动器工作电压的限制。最后,用提出的方法分析已有模型并验证建模方法。以600 mm口径的平面柔性智能反射面为例,验证了采用压电陶瓷贴片对反射面静态形状控制的可行性及优化算法有效性。仿真结果表明：通过控制压电陶瓷贴片作动器,可以使反射面的静态形状误差减小97%以上,而且作动器的控制电压均在极限电压范围内。

采用热结构间接耦合方法，建立了含结合面的不锈钢碳钢层合板(SCLS)脉冲激光弯曲多层有限元模型(FEM)，通过分析脉冲激光扫描过程中不锈钢层、碳钢层及其结合面的温度场、应力应变场的分布情况，探讨了结合面对层合板激光弯曲角度和质量的影响。研究结果表明,整个激光弯曲过程中结合面处温度平滑传递，横向应力和应变均存在明显突变，变形结束后，上下覆层呈现横向残余拉应力，中间基层呈现横向残余压应力；当激光功率为140 W、扫描速度为800 mm/min、离焦量为10 mm时，结合面最大Z向应力为87.5 MPa，小于层合板界面结合强度(≥210 MPa)。通过脉冲激光扫描实验和模拟，实现了层合板的有效弯曲，实验结果与模拟结果误差小于5%，为层合材料激光弯曲成形提供了理论与实验依据。

采用激光熔覆工艺将不锈钢粉末熔覆在碳钢板上，制备不锈钢-碳钢层合板。通过金属材料性能检测试验，对不锈钢-碳钢层合板的金相组织、元素扩散、显微硬度及拉伸断口形貌等性能进行分析。结果表明，激光熔覆制备层合板获得了致密均匀的覆层；结合面两侧Fe、Cr、Ni 等元素呈梯度扩散，扩散区域约为12 μm ，表明激光熔覆复合材料为扩散型冶金结合；覆层到基体硬度逐渐减小，这使覆层与基体之间应力平稳过渡，提升了其整体力学性能；其屈服强度为405 MPa，超过轧制层合板的326 MPa。基体和扩散区断口形貌为韧性断裂，而覆层表现为脆性断裂，进一步表明激光熔覆层合板结合面结合性能良好。

不锈钢碳钢层合板经激光快速加热弯曲后，弯折区出现增厚现象。借助IPP图像处理软件测量各层厚度及碳钢层晶粒尺寸，基于温度梯度机理分析弯折区增厚机理及规律。研究结果表明：不锈钢层合板在加热过程中晶粒生长，尺寸增大，产生热膨胀增厚；正向弯曲过程中，晶粒在弯曲应力作用下挤压伸长，产生挤压增厚，在二者的共同作用下，板材厚度增加，且热膨胀增厚占主导地位。增厚现象主要出现在上层不锈钢及碳钢层，碳钢层增厚值所占比重大于69%。最后，研究功率、扫描速度、扫描次数、离焦量等能量参数对增厚值的影响规律，为提高激光弯曲精度与质量提供理论和实验依据。

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。