以激光粉末床熔融（L-PBF）增材制造的316L不锈钢作为研究对象，重点研究了0°和60°两个不同成型方向对打印件显微组织和力学性能的影响，并利用原位电子背散射衍射（EBSD）技术研究了L-PBF 316L不锈钢在拉伸变形过程中组织和晶粒取向的演变过程。研究结果表明：L-PBF增材制造316L不锈钢的显微组织存在孔洞缺陷，在60°成型方向上还存在着鱼鳞状微熔池。成型方向为60°时制件的抗拉强度更高，为（645.61±15.50）MPa，0°成型方向上制件的伸长率更好，为（13.75±0.1）%。在原位拉伸过程中，随着变形量的增加，在0°成型方向上制件表现出更为显著的变化。小角度晶界的占比（体积分数）由38.1%增加到71.6%，α-Fe-BCC占比（体积分数）由0.17%增加到2.21%，平均晶粒尺寸由4.3 μm减小到1.4 μm，且晶粒内部在拉伸过程中出现了滑移带。在拉伸过程中，当成型方向为0°时，制件晶粒取向由初始的<101>∥Z1逐渐转变为<001>∥X1和<111>∥X1，而当成型方向为60°时，制件初始的<111>∥Z1晶粒取向逐渐转变为<111>∥X1。

激光焊接B340LA高强钢是汽车轻量化设计制造的重要技术难题。采用Fe30金属粉末作为填料开展了B340LA高强钢激光填粉焊接工艺试验，研究了对接间隙、焊接速度和填粉速度对焊缝质量的影响规律，发现在优化工艺参数条件下，可以得到焊缝形貌平整，焊缝强度高于母材的优质焊缝。结果表明，对接间隙是影响表面余高和塌陷的最重要工艺参量，随着对接间隙的增大，焊缝形貌下凹量增大，当对接间隙为0.15 mm时，焊缝出现塌陷。焊接速度对焊缝表面余高和塌陷影响较小，随着焊接速度的增加，焊缝形貌平整，未出现塌陷现象。填粉速度对抗拉强度的影响较大，随着填粉速度的增加，焊接件的组织大范围细化，抗拉强度增加。当填粉速度<8.27 g/min时，焊接接头断裂在焊缝位置；当填粉速度≥8.27 g/min时，焊接接头断裂在母材，此时焊接接头强度高于母材。该研究成果丰富了激光焊接基础理论，为车用B340LA高强钢激光焊接提供技术支撑。

激光直接沉积技术由于制造尺寸不受限制、材料自由度高，可用于制造大型金属零件，但常规激光直接沉积技术难以同时兼顾打印效率和打印质量，极大地限制了该技术的推广应用。为此，高速激光直接沉积技术成为了研究热点。本文探讨了扫描速度和激光功率对Inconel 718激光直接沉积工艺特性的影响，分析了常规和高速激光直接沉积的表面形貌、组织特征、内部缺陷和力学性能的变化规律，最后指出了将高速激光直接沉积技术应用于三维增材制造中所面临的挑战，为今后高速激光直接沉积技术的发展提供了方向。

光谱强度与电子密度是陶瓷激光增材制造等离子体的两个重要特征。孔隙裂纹缺陷直接影响着陶瓷件的性能。搭建了等离子体监测平台,采用阈值分割法对孔隙缺陷进行提取。通过分析等离子体羽辉和谱线特征来研究工艺参数对等离子体谱线强度和电子密度的影响,得出了等离子体特征与成形缺陷具有相关性这一结论。试验结果表明:与金属材料相比,氧化铝陶瓷蒸气电离形成的等离子体羽辉喷发得更高,面积更大;等离子体谱线强度随激光功率和扫描速度的增大而升高,随送粉速率的增大而降低;电子密度随激光功率、扫描速度和送粉速率的增大而升高;在成形过程中,等离子体谱线强度、电子密度与孔隙、裂纹这两类成形缺陷均具有强相关性。

为了探究负极极片复合材料的切割性质, 采用有限元模型, 对激光切割锂离子电池负极极片复合材料温度场进行数值模拟计算。由温度场分布取得了负极切缝宽度与切缝深度的尺寸大小, 从中研究激光功率、切割速率和光斑半径对负极表层材料切缝宽度与切缝深度的影响。结果表明, 负极表层切缝宽度随激光功率和光斑半径的增加而增大, 随切割速率增大而减小;切缝深度随激光功率增加而增大, 随切割速率和光斑半径增大而减小。切割至中间铜箔后, 切缝深度变化速率趋缓, 负极材料的复合结构对切缝深度存在明显影响;在功率为170W、光斑半径为47μm、切割速率变化至600mm/s左右时,效果最为明显, 切割深度在该参量下达到60μm, 且突破这一阈值后增长速率得到明显提升直至极片完全切断。这一结果可为激光应用于锂离子电池极片复合材料切割提供参考。

为了探究激光直接金属沉积316L不锈钢的表面粉末粘附工艺规律, 利用高速摄像机分析粉末粘附类型,采用单因素试验的方法, 定量研究了单道多层沉积中的送粉速率、送粉气流量和线能量密度对粉末粘附的影响规律。结果表明, 粉末粘附主要包括熔池熔液逸出和未熔粉末粘附两种类型; 随着送粉速率的增加和送粉气流量的减小, 薄壁件侧表面粉末粘附程度增加, 而粉末粘附程度则对激光线能量密度的变化不敏感;激光功率700W、扫描速率700mm/min、送粉量13.54g/min、送粉气流量14L/min、离焦量+22mm时, 激光直接金属沉积薄壁件表面粉末粘附较少。研究结果能够成为改善316L不锈钢增材制件表面质量的重要依据。

为了研究金属激光直接沉积工艺过程中工艺参量对工艺能效的影响, 采用自主研发的HCX60五轴激光复合制造机床开展工艺能效田口试验, 并对其结果进行了信噪比分析、极差分析以及方差分析, 得到激光功率、送粉量、扫描速率、提升量以及搭接率对工艺能效的影响主次关系, 提出了工艺因素优化组合。结果表明, 送粉量对工艺能效的影响最为显著, 最佳参量组合为激光功率P=500W, 送粉量f=28g/min, 扫描速率v=600mm/min,提升量h=0.6mm和搭接率λ=30%。这为研究增材制造工艺参量对工艺能效的作用及影响规律提供了理论借鉴和实验基础。

为了研究激光焊接工艺参量以及焊接材料对熔池、小孔形貌的影响, 搭建了激光焊接同轴监测系统, 对比研究了有无辅助光源和不同工艺条件下、采用中心波长分别为532nm和808nm窄带滤光片同轴监测的熔池、小孔图像特征。结果表明, 采用808nm激光辅助光源照明和808nm窄带滤光片, 可清晰地拍摄到熔池、小孔以及穿透孔特征图像; 相同的工艺条件下, 熔池变化小, 小孔动态波动且波动幅度小, 穿透孔的时变动态特征较小孔则明显不同; 熔池宽度随激光功率的增加而增大, 随焊接速率增大而减小; 不同材料激光焊接的熔池、小孔和穿透孔的同轴监测验证了本监测系统的稳定性。该研究对激光焊接质量实时监控有理论指导意义。

采用Level-set方法模拟了激光深熔焊接过程中光致等离子体的动态形成过程, 研究了等离子体形态、温度、孔内压强、气体流速等行为特征。结果表明: 在2.2 ms时刻等离子体的最高温度达到4 300 K,孔内的最大压强为4×105 Pa, 等离子体在小孔径向的最大流速为60 m/s, 最大流速位于等离子体中心处且接近孔底的位置, 且等离子体沿小孔轴线方向与径向方向的流速下降。考虑等离子体对激光能量吸收比未考虑等离子体对激光能量吸收时孔内功率密度降低了12.5%。研究结果将为激光深熔焊接过程中等离子体的机理研究和模拟研究提供理论依据。