提出一种基于随机分布偏移相位的轧辊表面峰值密度（PPI）和粗糙度范围可控的无序激光毛化技术。利用多光束干涉原理，分析轧制带钢表面反射光之间形成明暗相间条纹的机制。基于光线追迹方法，研究凸台微结构在等间距分布基础上的偏移产生的随机分布相位，对轧制带钢表面单一波长反射光形成的干涉条纹的影响，以使带钢表面多种波长反射光干涉条纹叠加形成的莫尔条纹近乎消失。轧辊表面凹坑微结构中心间距随机偏移与衰减性“拷贝”获得的轧制带钢表面凸台相同，采用理论与模拟分析得到的均匀分布中心间距随机偏移，利用激光雕刻方法对轧辊材料样件进行无序激光冲击毛化，毛化样件表面粗糙度为3.79μm，PPI为179。所提出的基于均匀分布偏移相位的无序激光可控轧辊毛化技术，实现了PPI和粗糙度范围可控的轧辊毛化，并且可灵活控制轧制带钢表面质量。

为探究激光毛化火山口坑点形貌特征的演变过程,搭建了LD泵浦窄脉冲Nd∶YAG激光毛化实验装置。针对3A21铝合金试件,选取激光单脉冲能量、脉冲宽度、脉冲数及离焦量作为待研究的工艺参数,采用单因素法研究近平顶光束作用下毛化坑点形貌的演变规律。研究结果表明:单脉冲能量增大时,坑点形貌由倒梯形向倒三角形转变;随着脉冲宽度变窄,坑点周围形成相互竞争的金属熔渣及陨石坑;随着作用于坑点的脉冲数增多,坑点的形貌及其特征参数趋于稳定;随离焦量增大,坑点边缘的微凸体逐渐减小直至消失。研究结果为3A21铝合金材料表面高质量的激光毛化提供参考。

轮轨黏着系数对于列车运行的安全性与稳定性具有决定性的影响。在冬季, 钢轮表面的薄冰会大幅降低轮轨黏着系数。根据水的相图和压力融化原理, 将轮轨接触区域划分为钢-冰固体接触区和钢-水混合润滑接触区, 基于统一雷诺方程模型, 研究了温度在-21 ℃至0 ℃, 运动速度为100~500 km/h范围内, 高速轮轨黏着系数随速度的变化规律, 并提出采用激光毛化技术在车轮表面形成规则形貌(纵纹、横纹、菱形), 将有助于提高冰水混合润滑状态下的轮轨黏着系数, 为高速列车黏着控制技术提供理论基础。

使用光纤激光加工设备, 采用单因素分析法, 在Cr12mov模具钢试样上进行系统的激光毛化工艺实验研究, 以获得不同种类特征的毛化形貌和优化的工艺参数, 并对加工区域表层材料的机械力学性能进行检测。实验结果表明: 在不同的工艺参数下, 分别获得了球冠状、凹顶球冠状和火山口状三种毛化形貌; 不同的工艺参量对毛化形貌有着显著的影响, 毛化形貌的直径和高度, 随激光功率和脉冲宽度的增大而呈增大趋势, 也随辅助气体氮气压力的增大, 呈先减小而后迅速增大。毛化点熔凝区组织高度细化, 主要为隐晶马氏体, 具有较高的显微硬度, 最大硬度可达647.6 HV, 大约是基体的2.2倍。

为了在模具上加工出特定的毛化形貌和尺寸, 采用计算流体力学软件Fluent探究形貌成型机理, 建立了激光毛化过程3维瞬态模型。考虑热传导、热对流、材料热物性参量等影响因素, 采用焓法处理固液相变移动边界, 通过用户自定义函数加载激光热源, 计算得出熔池温度场与流场。基于数值模拟, 采用单因素轮换法进行了毛化工艺试验, 研究了激光功率密度、脉宽两因素对毛化形貌、几何参量的影响。结果表明,激光功率密度在2.04×104W/mm2~3.57×104W/mm2, 脉宽在100μs~1000μs之间;以氮气作为辅助气体, 可获得球冠状、凹顶球冠状、M状3种形貌。该结果对模具毛化种类具有指导意义。

为了探究激光毛化技术在硬质合金材料表面实现微织构的应用潜能，采用单因素分析法，在YG6X硬质合金刀片表面进行了激光毛化工艺试验研究，获得了直径约270μm，高度约6μm的火山口形貌的微织构。结果表明，激光脉冲宽度、抽运电压、气体压力对毛化微织构形貌有着显著影响，脉冲宽度和抽运电压会较大地增大织构尺寸，气体压力显著减小织构高度约43%；硬质合金激光毛化微织构易出现微裂纹，由中心延伸至周边；组织中材料分布不均，中间有大块孔洞与空腔，但与基体有着紧密的结合强度。

为了研究规则分布的表面形貌对轮轨接触在混合润滑状态下摩擦系数的影响，设计了3种不同的表面纹理：横纹、纵纹、菱形。用确定性模型取代平均流量模型，对膜厚、压力、接触面积比进行了数值计算，总的接触载荷由流体接触区和固体接触区分别分担，总的摩擦力等于流体区的摩擦力和固体接触区摩擦力之和。根据设计的3 种表面纹理，用YAG 激光对车轮钢试样表面进行激光毛化处理，获得这3种表面纹理，在RSW-2摩擦磨损试验机上进行油介质条件下的混合润滑摩擦学实验，模拟轮轨间有油污时的工况，测量了该条件下各种表面纹理下的摩擦系数，并与未作激光毛化处理的表面进行对比。理论和实验结果显示，在油介质混合润滑条件下，有激光表面纹理的摩擦系数远大于未作激光毛化处理的试样表面的摩擦系数。3 种激光表面纹理中，菱形纹理的摩擦系数大于纵纹和横纹的摩擦系数，纵纹的摩擦系数比横纹略大。因此，在油污条件下使用激光毛化的菱形纹理表面能较显著地提高轮轨间的摩擦系数。

轧辊激光毛化技术作为一种最新的轧辊毛化方法，具有广泛的应用前景。但由于加工方法的限制，目前的激光毛化技术产生的轧辊表面毛化点分布成一个周期性各向异性的分布，导致最后轧制的毛化冷轧薄钢板效果不理想。提出了一种可以产生随机频率随机能量激光的光纤激光控制方法，此方法通过一个高效的随机数算法产生一个随机频率和随机占空比的脉冲宽度调制信号控制激光器输出特定波形的激光进行毛化加工，能够使得毛化轧辊表面产生随机无序分布的毛化花纹，最终轧制的毛化冷轧薄钢板能够满足表面各向同性亚光的要求，并且还能够提高加工效率，基于该方法的毛化加工设备已在实际生产中得到应用并且取得良好效果。

为了解决激光连接碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)/钢异质接头中的缩孔问题，采用光纤激光对GMW2钢板进行高速毛化试验，系统研究了激光功率、扫描速度、扫描长度和扫描次数对微凸起宽度和高度的影响，并利用高速摄像实时观察了毛化过程。结果表明，微凸起宽度与熔池宽度相当，增加激光功率或减小扫描速度将导致熔池宽度增加，微凸起宽度也将增加；而扫描长度和扫描次数不影响熔池的宽度，因此微凸起宽度也不发生变化。微凸起高度由蒸气压力、表面张力和液体动压力决定，激光功率增加将导致蒸气压力的增加和表面张力的减小，液态金属向熔池尾部流动的驱动力增大，适当地增加激光功率有利于微凸起的长高，但激光功率过高将产生大量飞溅，导致微凸起高度不稳定；随着扫描速度的增加，蒸气压力、表面张力和液体动压力都将发生变化，熔池液体流动的驱动力和阻力存在竞争关系，导致微凸起高度呈先增加后减小的趋势；扫描长度增加，蒸气压力水平分量增大，驱动力增加，微凸起高度逐渐增大。