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。

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。

为了研究实际接触条件对塑料激光透射焊接温度场分布的影响, 建立了基于体热源和考虑接触热阻的热传递模型的三维瞬态有限元热分析模型, 采用C语言编写的APDL子程序实现体热源的动态加载, 考虑温度对材料的影响, 使得温度场分布更符合实际状况。采用该模型对PC塑料激光透射焊接过程进行模拟, 分析不同接触热阻和功率下温度场的分布, 并与不考虑接触热阻的体热源模型模拟的结果、试验结果进行对比。结果表明, 考虑接触热阻的体热源模型模拟得到的焊缝分布更符合实际情况, 表明该模型可以较好的表征接触热阻对透射焊接的影响, 并且可以准确的预测焊缝的尺寸。

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。

为了解决激光熔覆近净成形薄壁零件易开裂问题和倾斜零件的效率问题, 采用温度场和应力场数值模拟及工艺实验相结合的方法, 使用316L不锈钢粉末进行了有角度薄壁件的激光熔覆近净成形。研究结果表明, 连续成形不仅会导致薄壁零件成形区域温度过高引起塌陷及过熔现象, 而且残余应力会超过材料屈服强度, 造成薄壁零件开裂; 连续熔覆5层后再冷却10 min的工艺措施不仅可以有效降低成形区域温度, 保证初始成形条件相对稳定, 而且避免了逐层冷却, 提高了成形效率; 制备的有角度薄壁件层间界限分明、表面平整。

根据激光熔覆生物陶瓷涂层的特点，选择二维带状热源模型，研究计算了材料物理性能在不同温度下的变化曲线，并建立温度场模型。将实验制备的涂层从涂层外观、显微硬度、涂层与基体的结合强度、涂层物相等方面对比模拟结果与实验结果，从而论证模型的可靠性。根据模拟结果可得：激光功率与扫描速度均会影响熔池深度，且激光功率的影响大于扫描速度；根据模拟的变化趋势分析，选择的激光熔覆的工艺参数为功率P=1700 W，扫描速度V=165 mm/min。模拟预测了不同涂层厚度、工艺参数条件下的熔池深度。

激光辅助加热切削是解决陶瓷类硬脆材料难加工问题的有效方法。为研究工艺参数的选取对脉冲激光辅助切削陶瓷加工效果的影响，建立了脉冲激光加热辅助切削Al2O3陶瓷传热模型，求解不同参数组合下工件温度场分布。根据Al2O3陶瓷温度在1000 K以上时的软化层尺寸选取理论上合适的切削用量；采用激光参数和切削用量开展切削试验，统计试验切除率，检测加工表面粗糙度和表面形貌，探讨试验切除率与加工表面粗糙度之间的关系，结果发现采用温度场模拟获取的工艺参数能够获得较高的加工质量和切除效率。研究表明通过模拟温度场分布从而选取切削工艺参数，能有效保证脉冲激光辅助加热切削陶瓷类硬质脆性材料的工艺要求。

为了分析激光对接焊TC4钛合金薄板的焊接过程，以ANSYS软件为平台采用有限单元法建立了非线性瞬态热传导模型，模拟计算了焊接时的3维瞬态温度场; 数值模拟过程中考虑了材料热物理性能参量的温度依存性，并利用APDL语言编程实现了移动高斯分布面热源模型的加载。结果表明，激光焊接过程中的温度场由非稳态到稳态，最终呈现出流星状的稳定分布，焊缝附近等温线密集，焊缝的热影响区小; 模拟得到的焊缝形状与试验获得的焊缝形状相吻合; 模拟获得的400℃临界温度以上区域的尺寸范围为42.00mm×10.56mm。该研究验证了模拟方法的正确性，为焊接保护装置设计提供了依据。