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。

为加深激光切割中材料去除机理的认识，利用Imagine-Pro Pluse (IPP)图像处理技术研究了激光切割去除熔化物颗粒形状及其特征尺寸分布。基于气熔比控制的试验方法，对0.85 mm厚的1000系铝合金薄板进行了激光切割试验。通过对颗粒图像度量标准的设定，去除熔化物颗粒形貌分为圆形颗粒、类圆形颗粒和蝌蚪形颗粒。图像处理结果表明：随气熔比的增大，去除熔化物颗粒中圆形颗粒所占百分比越来越大，类圆形颗粒和蝌蚪形颗粒所占百分比越来越小，且各形状颗粒平均特征尺寸随气熔比的增大而减小。同时对切口质量进行了测量，得到切口质量随着气熔比的增加而提高。建立了熔化物去除模型，揭示了熔化物去除与切割质量有着直接密切的关系，并最终得到了较高质量切口和缝阵天线薄板样件。

航空发动机燃烧室是由向外倾斜、直壁和向内倾斜3部分组成的圆形薄壁件。面向燃烧室结构的圆形薄壁件，依据偏移无支撑熔融粉末不塌陷的临界条件和单道熔覆层高度建立了熔覆成形倾斜角度数学模型，研究了激光熔覆向内倾斜和向外倾斜圆形薄壁件的偏移量、成形高度和倾斜角度，并进行了试验验证。研究结果表明在单层等偏移量条件下，几何形状的差异导致了向内倾斜圆形薄壁件较向外倾斜圆形薄壁件偏移总量较大、成形高度较小和倾斜角度较大，最后试验熔覆出了航空发动机燃烧室模拟件。研究结果为圆形薄壁件激光熔覆成形应用提供了理论和试验依据。

金属层合板复层与基层物理特性存在差异，激光弯折区特性异于单一板材。为研究层间热传导特性，选取不锈钢碳钢层合板进行激光弯曲实验。观察分析不同累积线能量下不锈钢层合板弯折区的金相组织，利用IPP图像处理软件划分热影响区，分析层间热传导特性。层间热导率差异使得层间热传导速率减缓，碳钢层热影响区呈现扁平抛物线梯度分布，并于下界面处出现热累积现象。层间热传导特性通过影响层间温度梯度及塑性变形区域实现层合板不同角度的弯曲。热传导特性研究为提高层合板激光弯曲精度与质量提供理论和实验依据。

层状金属复合板以优良的材料和结构性能在舰船、汽车和飞行器等装备中显示了广阔的应用前景。为研究工艺因数对层状金属复合板激光弯曲成形的影响，以不锈钢碳钢层合板为研究对象，对这种层状金属复合板的激光弯曲角度和规律进行了系统的试验研究。结果表明，不锈钢碳钢层合板和不锈钢板激光弯曲存在共性，弯曲角度随着激光功率增加而增大，随着扫描速度增加而减小，随着扫描次数增加而增大，随着板厚增大而减小。同时二者也存在差异；随着不锈钢碳钢层合板宽度的增加，弯曲角度先减小后增大；在相同工艺条件下，不锈钢碳钢层合板弯曲角度大于不锈钢板的弯曲角度，并在一次固定安装下获得85.6°这一接近直角的极限弯曲角度。

为提高铝合金薄板激光切割质量，对切割去除熔化物进行了收集、观察及测量研究。在Nd:YAG脉冲激光切割模式下，采用不同气熔比0.1898，0.2798，0.3708和0.6519，对0.85 mm厚的1000系铝合金薄板进行切割试验。试验通过超景深三维显微镜对收集的去除熔化物形状和尺寸进行观测研究。结果表明，去除熔化物颗粒由球形颗粒和蝌蚪形颗粒两种颗粒组成，其中球形颗粒平均尺寸在71~123 μm之间；高气熔比切割去除熔化物主要呈球形，颗粒尺寸较小，切割质量较好；低气熔比下熔化物主要是蝌蚪形，其中呈现的球形颗粒尺寸较大，切割质量较差。试验最终在辅助气压0.6 MPa高气熔比0.6519下获得了较高质量的切口。研究结果深化了铝合金激光切割的机理认识，有效提高了铝合金薄板的激光切割质量。

Z轴提升量与单层堆积高度的匹配是高质量倾斜薄壁件激光熔覆成形的关键因素，因此，提出变Z轴提升量法对圆弧截面倾斜薄壁件进行熔覆成形。在三轴开环条件下，通过熔覆成形竖直和倾斜薄壁件试验，得到偏移量ΔX与提升量ΔZ之间的关系曲线。结果表明，随着偏移量的增大，提升量逐渐减小，且当ΔX在0.06~0.08 mm区间段时ΔZ减小最快；成形的倾斜件最大倾斜角为36.6°。由关系曲线计算出圆弧等分点处的偏移量和提升量构成二维数组，再用Matlab对数组按圆弧形状筛选组合，模拟出优化的截面轨迹规划路径。采用模拟得到的逐层偏移量和提升量组合，熔覆136层，成形出圆弧截面倾斜薄壁件，成形高度尺寸最大偏差0.78 mm，与模拟结果相符，验证了变Z轴提升量法熔覆成形圆弧截面倾斜薄壁件的有效性。