选区激光熔化(SLM)技术在加工中空薄壁结构方面具有巨大优势, 通过刚度理论计算并设计中空等刚度薄壁结构, 依据试验和数值模拟结合的方法验证设计的正确性。结果表明, 在弯曲载荷下, 变形区域主要集中在弯矩最大的中线处附近, 在相同力加载下, 所设计的三种空心矩形截面薄壁结构零件的位移几乎相同, 对于单薄壁结构零件, 由于弹性模量低于实体块零件的弹性模量, 导致其中心所产生的位移小于空心矩形截面薄壁结构零件。对薄壁结构有限元模型的弯曲过程进行仿真, 获得的等效应力应变等模拟结果与试验结果吻合。研究结论可以为SLM加工薄壁结构时进行截面设计提供理论支撑。

薄壁密集焊缝结构是航空航天、造船及轨道交通等领域的重要结构形式,光纤激光焊接是该类结构有效、可靠的加工方法。构件变形和尺寸收缩是该类构件密集焊接时面临的两个主要技术难题。采用高频随焊冲击的方法进行相关试验,分析该方法对焊缝形貌、表面应力、焊接变形及尺寸收缩的影响规律。通过搭建专用装置模拟了薄壁密集焊缝结构的焊接,将随焊高频冲击位置设置在熔池后方的高温焊缝区。试验结果表明:针对GH3128高温合金薄板,该方法可将焊缝焊后的纵向残余应力由无冲击时的均值390.9 MPa调整为116.1 MPa,减小了约70%;该方法可将构件垂直于焊缝方向的翘曲变形量降低74.5%,将沿焊缝方向的尺寸收缩降低80%;针对06Cr19Ni10材料的圆筒形薄壁构件的多道焊接试验,随焊高频冲击可将构件的尺寸收缩由无冲击时的0.95 mm减小到0.29 mm。

采用中空激光光内送粉技术,在异形基面上成形平顶薄壁结构。针对在不平整异形面上采用传统等高分层存在扫描起始端搭接缺陷、效率低等问题,提出了一种随形分层的方法:利用在一定范围内熔覆层高度与扫描速度之间、熔覆层宽度与离焦量之间的线性关系,采用分段变速以达到分段变熔高的方法使基底低点变高,从而在异形基面上逐渐堆积出平顶结构。检测结果表明:基面与层间实现了冶金结合,成形的薄壁墙顶面基本平整,最大绝对误差在0.2 mm左右,尺寸误差在8%以内;成形区域的组织致密均匀,无明显的气孔、裂纹等缺陷,显微硬度为685~720 HV。

薄壁成形一直是增材制造中的研究难点, 建立了粉末浓度和熔覆层截面形状的关系模型来研究增材制造中已成形的熔覆层对粉末浓度的影响, 而粉末浓度的变化会影响沉积实体的尺寸和形状精度。结果表明, 不同的熔覆层形貌会导致不同的粉末浓度分布, 从而进一步影响横截面轮廓。在搭接区域由于熔覆层截面轮廓的切向角, 粉末浓度在搭接区域的底部突然减小。沉积熔覆层的宽度与高度的比较大所引起的粉末浓度的增加小于较小宽高比的影响。粉末浓度的变化也会影响熔覆层的宽度和高度。另一方面, 由于粉末浓度的增加, 吸收了更多的激光能量, 导致激光能量密度在搭接的区域下降, 产生孔洞等缺陷。增大熔覆层的宽高比可以减小已成形的截面形状对粉末浓度的影响, 从而减少缺陷, 同时也能减少孔隙的产生, 实验也证实了这一点。

利用激光增材制造技术成形了薄壁结构件，采用粉末负离焦的方法解决了薄壁结构件成形过程中两端塌陷的问题，并分析了薄壁结构件的显微组织和力学性能。结果表明，当激光功率为1400 W，扫描速率为0.6 m·min-1，送粉速率为9.5 g·min-1时，获得了理想的单道熔覆层形貌。当单层提升量为0.57 mm时，薄壁结构件的表面无粘粉，无氧化色。熔覆层的高度和粉末利用率随粉末正负离焦量的增大而减小。薄壁结构件的显微组织主要为外延生长的树枝晶，离基体较近部位的枝晶较为粗大，而顶部为等轴晶组织。薄壁结构件的硬度高于基体的，且离基体较近部位的硬度较小。

为了实现新型红外陶瓷ALON高陡度薄壁保形非球面的超精密磨削加工, 首先根据ALON的材料属性和高陡度薄壁保形非球面的结构特性, 进行了其超精密磨削加工工艺性分析, 并基于有限元计算方法, 完成了面向ALON高陡度薄壁保形非球面的精密夹具的设计以及关键参数的优化。然后完成了ALON的超精密磨削工艺实验, 工艺实验结果表明减小工件转速和砂轮粒度都会降低ALON的平均表面粗糙度Ra值, 但砂轮粒度对磨削后ALON的表面粗糙度影响更显著。最后实现了ALON高陡度薄壁保形非球面的超精密磨削加工, 磨削后的ALON高陡度薄壁保形非球面的面形精度PV值为2 μm, 表面粗糙度Ra值可达8.6 nm。