采用激光搅拌焊接对7075铝合金与碳纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)进行对接焊,分析了焊接工艺参数对接头连接强度的影响规律;对焊接接头的力学性能进行了测试,分析了影响接头强度的因素和接头的失效形式。结果表明:焊接速度对接头强度的影响最大,之后依次为离焦量、激光功率、搅拌振幅、搅拌频率和夹具气压;在最佳参数下得到的接头的连接强度为11.7 MPa,在此情况下接头断裂发生在CFRTP表层,接头的失效形式为CFRTP基体撕裂;测量了焊接时接头处的温度变化规律,温度过高或过低都会降低接头的强度;适当降低焊接速度能延长接头的高温存在时间,增加接头强度。

为了提高CFRTP/不锈钢激光焊接过程数值模拟的准确性, 在考虑界面接触热导率对焊接温度场影响的情况下, 建立了CFRTP/不锈钢激光焊接热接触有限元模型, 利用ANSYS软件对温度场进行了数值模拟, 并分别讨论了激光功率、焊接速度、夹具压力等不同工艺参数对接头熔宽及温度场的影响规律。结果发现, 较传统模型而言, 热接触模型可将接头熔宽计算值的相对误差从17.8%降低至6.7%, 更为接近实际, 可用来指导试验及工业生产。

为降低碳纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)与铝合金进行激光焊接时,激光加热对铝合金造成的焊接缺陷,提升焊接接头的力学性能,将激光搅拌焊接方法引入到铝合金与CFRTP的焊接中。通过与传统的激光直线焊接方法进行对比后发现:在相同的激光功率和焊接速度下,激光搅拌焊接接头的连接强度为传统激光直线焊接的3.25倍;激光搅拌焊接还可以显著减少气孔缺陷,获得较好的焊缝形貌。为进一步研究CFRTP/铝合金激光搅拌焊接的机理,对CFRTP/铝合金激光搅拌焊接温度场进行仿真分析,结果表明:铝合金表面的温度场呈非等幅振荡形式变化,且出现了两个峰值,这是激光搅拌焊接能够降低焊接缺陷的主要原因之一。同时,对铝合金焊缝的熔深、熔宽进行计算,并与测量结果进行对比,仿真结果与实验结果的误差在9.87%以内。

为了利用高能激光束将镍、铁、铝金属单质的混合粉末快速熔融, 得到高性能的镍铁铝合金, 并直接用于熔覆, 采用激光3-D打印的金属粉末成型的方法, 用一台中低功率的光纤激光器, 以工程中常用的轧制不锈钢板为基底, 研究了一定比例的镍、铁、铝混合粉末的熔覆冶金情况。通过优化激光工艺参量(激光频率、扫描速率、激光功率和离焦量)组合, 得到了质量良好的单道熔覆结果。通过激光共聚焦显微镜、晶相显微镜以及扫描电子显微镜等检测手段, 对熔覆条的宏观形貌和微观组织进行观察。结果表明, 可获得良好的无气孔无裂纹的合金组织, 且合金与基板形成了良好的冶金结合; 熔覆层硬度低于基板硬度30HV左右, 但截面硬度分布均匀。该研究有助于得到各向性质统一的冶金层。

为了提高碳纤热塑复合材料(CFRTP)/不锈钢激光直接连接(LDJ)数值模拟的准确性, 在实验的基础上拟合得到接触热导率计算公式, 建立了考虑界面接触热阻的三维有限元传热模型。理论仿真结果与实验结果的对比分析表明, 与传统模型相比, 热接触模型更符合实际情况, 可用于表征夹具压力对激光连接效果的影响。在激光功率为339 W、夹具压力为0.1 MPa时, 传统模型计算的相对误差为12.3%, 考虑接触热导率的热接触模型则将相对误差降至2.8%。该模型对提高激光直接连接数值模拟的准确性和工艺参数的优化选择具有重要价值。

为了研究界面状态对CFRTP/金属激光连接质量的影响规律, 实现二者高质量的连接。对不同界面情况下的样件进行了焊接实验、强度拉伸测试以及断面组织分析, 找到了添加树脂层厚度、不锈钢表面粗糙度对接头剪切强度的影响规律, 以及酸洗和激光微织构化处理提高接头连接强度的机理。结果表明, 通过金属表面预处理和提高结合面熔融树脂量均能有效提高接头的剪切强度, 特别是激光微织构化处理后拉伸样件的失效发生在树脂基体与碳纤维之间, 这说明CFRTP/不锈钢之间的连接剪切强度已超过了CFRTP内部基体树脂与碳纤维的结合强度。

为了研究碳纤维增强热塑性复合材料（CFRP）与不锈钢激光焊接的机理, 及不同工艺参量对焊缝质量的影响规律, 采用ANSYS建立了基于热传导焊的3维有限元模型, 计算得到了温度场和应力场的分布, 分析了激光功率、焊接速率和光斑直径等参量对焊缝宽度和焊接深度的影响规律, 并进一步计算分析了焊接后的残余应力对焊接质量的影响情况。结果表明, 该有限元模型能够快速、有效模拟激光对CFRP-不锈钢焊接温度场和残余应力分布; 激光功率、焊接速率和光斑直径等工艺参量对焊缝宽度和焊接深度有着重要的影响; 计算出的焊接残余应力与残余应力的理论分布规律也基本吻合, 验证了该有限元模型的可靠性。该研究结果对获得高质量CFRP-不锈钢焊接接头是有帮助的。

为了探索激光工艺参数对316L不锈钢粉末在304#不锈钢板上熔覆质量的影响规律，发现最优的工艺参数，利用实验室自行设计组装的光纤激光熔覆系统对其进行了一系列的激光熔覆工艺试验。用激光共聚焦显微镜、维氏硬度计以及其他方法，对不同组合的工艺参数（激光功率、熔覆速度、激光频率以及离焦量等）下单道熔覆的试样的表面形貌和横截面质量进行了检测和分析，发现了工艺参数对熔覆质量的影响规律，并据此确定了一个最佳的熔覆参数组合范围，在这个范围内得到的熔覆试样结果显示，熔覆条表面光滑，有完整的熔覆条纹，无气孔和裂纹。

为了提高紫铜对激光的吸收率，实现低功率激光的紫铜焊接，采用波长532 nm 的纳秒激光器对紫铜表面进行预处理，可使紫铜对1064 nm 波长激光的反射率从95%降低到15.5%，大大提高了焊接时激光的利用效率。同时，利用500 W 光纤激光器对厚度为0.3 mm 的紫铜激光焊接工艺展开了研究，对不同焊接速度和离焦量下的焊缝宽度、焊接强度、焊缝显微硬度进行了比较分析，找到了最佳的焊接参数。另外，对黑化处理与涂敷石墨后紫铜的焊接质量进行了比对，发现黑化处理后激光焊接的焊缝显微硬度和抗拉强度均优于涂敷石墨的情况。

介绍了多功能光纤激光加工系统的集成与调试方法,解决了系统调试和使用过程中的关键问题。利用该系统对厚度为2 mm的304不锈钢板进行切割的工艺实验研究,对不同工艺参数下的切割质量进行了对比,找出影响切缝质量的主要因素和最佳参数,并探讨了切缝截面粗糙度与激光切割功率、切割速度的关系。同时,利用该系统对厚度为1.5 mm的304不锈钢板进行焊接的实验研究,以激光功率、焊接速度、离焦量作为变量因素,通过正交实验,找到最佳的焊接参数。这些切割与焊接参数的寻找,为下一步建立不同材料、不同厚度的切割与焊接参数的工艺数据库打下了基础。