立体光固化成型技术是一种生产高精度、高性能陶瓷部件的新兴增材制造工艺。制备具有良好流动性和高固相含量的陶瓷浆料是立体光固化增材制造工艺的优势。本文讨论了固相含量、单体、分散剂、粉体级配等因素对浆料流变性能的影响规律, 总结了目前配制高固相含量和低黏度光固化Al2O3陶瓷浆料的材料选择原则, 归纳了制备高固相含量、低黏度Al2O3陶瓷浆料的指导方法, 指出了高性能光固化Al2O3陶瓷浆料开发的主要趋势和面临的挑战。

本文采用光纤激光器在不锈钢表面上制备圆形阵列结构来增强不锈钢与塑料的连接强度。研究了激光制备的圆形阵列结构参数以及连接参数对不锈钢与塑料连接强度的影响。结果表明，不锈钢表面经过激光扫描构形处理后能显著提高不锈钢与塑料的连接强度，在压力作用下，熔融塑料渗入激光构造微孔形成的机械互锁是增强不锈钢与塑料连接强度的主要机制。激光构形后不锈钢表面上的毛刺高度、数量以及覆盖率对连接接头的连接强度有重要影响。毛刺高度为10~20 μm,毛刺数量占比Tm小于14.82%时，不锈钢与塑料在连接面处断裂，剪切力随着Tm的增加而增加；当Tm值高于14.82%时，在塑料处断裂，且剪切力数值在塑料的平均拉伸断裂力(950 N)上下浮动。不锈钢与塑料连接接头断裂于塑料处时所对应的最小覆盖率为38.5%，此时剪切力为900 N。此外，激光扫描处理过程中不锈钢与塑料连接的温度与压力对连接强度有重要影响，在加热温度为400℃时，不锈钢与塑料连接接头的剪切力最强；当压力为75 kN时，不锈钢与塑料连接接头的剪切力最强。

为了研究离焦量对激光填丝焊熔滴过渡及相关特征的影响,获得稳定过渡模式,借助高速摄像系统观察了不同离焦量下的熔滴过渡行为,并将其分为液桥过渡、混合过渡和滴状过渡3种类型进行了分析。结果表明,离焦量为-1mm和+3mm时的液桥过渡模式可以保证焊接过程的稳定性,获得的焊缝质量良好,焊缝截面无气孔等缺陷；而离焦量为+5mm时的过渡模式为滴状过渡,此时焊接稳定性最差,焊接过程中匙孔会完全闭合,焊缝表面成形不规则,焊缝截面底部出现大的气孔。该研究结果对实际生产有指导作用。

为了研究碳纤维复合材料(CFRTP)与金属的高效焊接, 采用激光诱导Al-Ti-C粉末中间层自蔓延反应的方法, 对碳纤维复合材料与铝进行了异种连接实验, 分析了中间层自蔓延反应形成焊缝的反应机理、CFRTP/铝连接接头的微观界面和形成机理。结果表明, 激光照射使中间层温度升高至933K左右时自蔓延反应开始进行, 铝元素熔化并包裹住固态Ti发生反应, 生成Ti-Al系化合物, 在高温下化合物继续和Ti元素反应生成TiC并释放热量; 同时, 单质Ti与C也发生反应生成TiC并释放热量, 反应产生的热量继续维持下一层面的反应, 直至整个中间层反应结束形成良好的“焊缝”; 这些热量使得中间层左右两侧母材发生微融再次挤压成型形成质量良好的连接接头。激光诱导Al-Ti-C中间层自蔓延高温合成连接方法可以实现CFRTP/铝的高质量连接, 对实现交通工具结构轻量化是有帮助的。

为了研究保护气体流量对复合焊接接头形貌及熔滴过渡的影响, 采用5mm厚的高强钢板材进行了激光电弧复合焊接试验的理论分析和实验验证, 获得了不同气流量下的焊缝形貌以及焊接过程中电弧和熔滴图像。结果表明, 随着保护气体流量的增大, 焊接熔深先增大后减小;当保护气体流量在25L/min, 焊接熔深达到最大; 且焊缝的铺展性较好, 飞溅较少; 保护气体流量通过影响熔滴过渡的形式, 对熔滴过渡频率产生影响; 随着气流量的增大, 熔滴过渡频率减小, 且在25L/min时, 熔滴过渡频率较稳定; 采用FLUENT软件对气流量进行数值模拟, 气流量越大, 保护气体流速越大, 在工件表面的作用面积减小。该研究结果为实际工程应用中选择保护气体流量制备高质量的焊缝奠定了基础。

为了研究在不同热输入下高氮钢焊接接头各区微观组织和硬度分布, 采用了Nd∶YAG-MAG电弧复合焊接方法焊接高氮奥氏体不锈钢, 进行了理论分析和试验验证, 取得了不同热输入下焊接接头各区形貌、微观组织和显微硬度数据。结果表明, 高氮钢复合焊接接头截面形貌呈“高脚杯”状, 上部为电弧作用区, 下部为激光作用区; 焊缝组织由奥氏体和少量铁素体组成, 随着热输入的增加, 铁素体含量增多, 铁素体树枝晶主干增长、增粗, 有二次支晶分布在树枝晶主干两侧;焊接接头硬度分布不均匀, 母材硬度最高, 其值在330HV~370HV之间, 焊缝区硬度在260HV~300HV之间; 随着热输入的增加, 焊接接头硬度降低; 焊接接头没有出现软化区。这一结果对高氮钢复合焊接在不同热输入参量下获得良好焊缝提供了理论基础。

为了研究空气中飞秒激光脉冲能量对不锈钢表面形成周期性结构的影响规律, 采用脉宽为50fs、中心波长为800nm的飞秒激光辐射304不锈钢表面, 利用扫描电子显微镜观察微观形貌, 分析了不同种类波纹的产生机理。结果表明,脉冲能量在0.1mJ～0.3mJ时, 表面形成垂直于激光偏振方向的纳米级周期性波纹; 脉冲能量在0.4mJ～0.7mJ时, 表面有产生平行于激光偏振方向的周期性波纹的趋势; 脉冲能量在0.8mJ～1.0mJ时, 表面出现明显的平行于激光偏振方向的微米级大尺度周期性波纹, 且波纹表面覆盖着与其方向垂直的短周期性波纹。该研究为后续在不锈钢表面制备可控微观形貌奠定了基础。

焊接参数在一定程度上决定着焊缝的形貌及力学性能。采用激光-电弧复合焊接方法对高氮钢进行了焊接, 研究了不同焊接参数对焊缝形貌及力学性能的影响。研究结果表明：焊缝熔深随激光功率和焊接电流的增加而增大, 随焊接速度的增大而减小; 焊缝熔宽随激光功率的增大先减小后增大, 随焊接电流的增大而增大, 随焊接速度的增大其变化趋势相反, 当焊接速度ν＝0.8 m/min时, 焊缝熔宽达到最大, 其值为11.8 mm。同时对不同参数下的焊接接头进行拉伸和冲击试验, 结果发现：焊缝拉伸强度随激光功率和焊接速度的增大先增大后减小, 随焊接电流的增大而减小; 当焊接速度ν＝0.8 m/min时, 平均拉伸强度最大, 为875 MPa; 焊缝冲击功随激光功率和焊接电流的增大而增大, 随焊接速度的增大其变化趋势相反; 当焊接电流I＝270 A时, 焊缝平均冲击功最大, 为49 J; 通过扫描电镜对其拉伸、冲击断口进行观察, 发现其断裂形式以韧性断裂为主。

以5.0 mm厚高强钢板为试验材料, 进行了CO2激光-熔化极活性气体保护焊(Metal active gas, MAG)电弧复合焊接试验。采用高速摄像系统观测熔滴形态的变化以及过渡模式, 并采集焊接过程中的电弧和熔滴图像, 通过试验深入研究激光功率与电弧功率匹配对复合焊接过程中焊接稳定性、焊缝形貌、熔滴形态以及过渡模式的影响。研究表明, 当电流为200 A, 电压27 V时, 激光功率变化过程中, 熔滴过渡处于射流过渡状态, 焊缝表面形貌较好, 焊缝平滑连续, 没有明显缺陷; 其他参数不变, 随着激光功率增大焊缝熔深增大, 随着电弧电压与电流增大熔宽增大; 当I＝180 A, U＝26 V时, 电弧弧柱面积增大, 激光对电弧吸引作用增强, 促使熔滴过渡比较稳定, 使熔滴作用点与激光作用点完全重合。

通过中心复合设计方法设计试验方案, 基于响应面法建立了SPCC与65Mn异种金属激光焊接工艺参数与平均熔宽之间的数学模型, 分析了各焊接参数对焊缝平均熔宽的影响, 并对激光焊接工艺参数进行了优化。结果表明, 对平均熔宽影响最大的主效应是焊接速度, 交互效应是焊接速度与离焦量。当激光功率为3.6 kW、焊接速度为1.6 m/min、离焦量为1.2 mm时, 焊缝平均熔宽最大。在此优化工艺参数下进行试验, 平均熔宽为1.22 mm, 试验结果令人满意。