针对钛合金熔丝增材制造零件表面粗糙度差、尺寸精度低的问题，提出了高质量复合热源熔丝成形工艺。以激光和焦耳热为热源，选用直径为0.3 mm的TC4钛合金细丝为沉积材料，首先通过焦耳电流预热金属丝，然后以低功率激光加热形成小尺寸熔池，随着基板的运动，金属丝被持续送入熔池并稳定沉积。通过单道沉积试验，研究了工艺参数对单道沉积层几何特征的影响规律。结果表明：当激光功率在50~200 W、送丝速度在60~360 mm/min的范围内变化时，工艺参数对沉积层几何特征的影响显著；当移动速度在30~360 mm/min的范围内增加时，沉积层宽度减小，高度稳定；当焦耳电流增大至10 A时，出现了周期性丝材熔断，恶化了沉积形貌和沉积稳定性。在稳定沉积参数组合（激光功率为125 W，送丝速度为240 mm/min，移动速度为300 mm/min，焦耳电流为8 A）的基础上，以25 W的降序功率梯度进行过渡，优化了坍塌、变形等缺陷，获得了高质量的钛合金薄壁件，其表面粗糙度（R_a）为1.776 μm，平均壁厚为0.648 mm，平均壁厚偏差为0.004 mm，优于主流的送丝增材制造工艺，且沉积态试样在移动方向和沉积方向的拉伸强度分别为（918.91±9.54）MPa和（926.516±22.52）MPa。

大功率YAG激光-MAG复合热源具有广泛的工业应用前景, 其等离子体状态的诊断对于指导复合热源发展方向、 优化复合参数具有重要意义。 通过建立的中空探针光谱扫描系统, 采用荷兰Avaspec-FT-2快速数字光谱仪, 横向扫描焊接电弧等离子体, 采集YAG激光-MAG复合等离子体不同空间位置的光谱; 通过计算得到其特定辐射谱段的空间分布, 对比激光复合前后等离子体辐射的变化; 并结合高速摄像照片, 探讨其耦合机理。 进一步选取特定谱线(FeⅠ), 采用Boltzmann图法对复合热源等离子体的空间电子温度进行计算; 研究结果表明, YAG激光-MAG电弧复合后, 等离子能量更靠近熔池, 集中作用于焊接试板, 其能量作用区域展宽; 在电弧中心区造成电子温度上升。

通过试验研究了在Nd:YAG激光+脉冲金属熔化极气体保护焊电弧(P-GMA)复合热源焊接过程中激光对熔滴脉冲过渡频率和脉冲电流的影响。研究结果表明,对于熔滴脉冲过渡,电流较小时,将激光能量加入到脉冲金属熔化极气体保护焊(P-GMAW)中,将会有助于提高熔滴过渡频率和焊接过程的稳定性;而在电流较大时,激光能量的加入将会不同程度地降低熔滴过渡频率;而激光能量的加入,对P-GMAW电流具有一定的减小作用,但其影响很弱。分析认为,激光通过材料蒸发反冲作用力和激光致等离子体与电弧等离子体的相互作用两种途径来影响熔滴过渡频率,而仅通过两种等离子体之间的相互作用来影响P-GMAW电流。

利用余高-熔宽比表示焊缝表面铺展性并与焊缝余高一起作为参数来评价激光+电弧复合热源焊缝的表面成形,通过试验研究了Nd:YAG激光+脉冲MAG电弧复合热源焊接过程中焊接规范参数对复合热源焊缝表面成形的影响,并分析了激光对复合热源焊缝表面成形的影响.研究结果表明,在电弧功率变化过程中,激光对复合热源焊缝表面成形影响较小,但随着激光功率的增大,其对焊缝表面成形的影响也逐渐增大.焊接速度变化过程中,激光束能量的加入不仅改善焊缝表面成形还极大地提高了焊接速度,而在光丝间距和离焦量变化过程中,激光束对复合热源焊缝表面成形的影响很小.

采用激光束与电弧复合焊接AZ31B镁合金,研究了这种复合热源对焊接熔深、表面成型的影响,探索了激光-电弧不同复合方式对焊接过程中电弧稳定性的影响。结果表明,激光束与焊接电弧共同组成的复合热源在正向焊接镁合金时形成的焊接熔深,比单独采用钨极氩弧焊(TIG)焊接增加了1倍左右,同时复合热源焊接电弧稳定性也较钨极氩弧焊接提高了1倍以上,是一种理想的镁合金焊接方法;而当激光-电弧复合热源反向焊接时,电弧稳定性较正向焊接进一步增大。对复合热源的电弧稳定性和激光吸引电弧的现象以及熔深增加的机理进行了讨论。