为了解决二维激光清洗不均和边缘烧蚀过重易使基材受损等问题,在振镜螺旋式面填充清洗路径规划中引入随机偏摆因子,避免了固定扫描轨迹下出现的网状交叉重复烧蚀现象;在扫描周期内对激光频率进行位置调制,以实现边缘附近激光能量的降低,避免边缘区域内因电机减速而导致的过度烧蚀。结果表明:非边缘区域内的随机螺旋扫描使得激光烧蚀点随机分布,避免了单点处的重复烧蚀,边缘处的激光扫描速度减慢且烧蚀能量降低,基材过渡区裂纹的出现概率大幅降低。在随机螺旋扫描路径方式下对清洗系统的激光频率进行位置调制,能有效解决激光烧蚀程度分布不均和清洗易损伤基材等问题。

为了在模具上加工出特定的毛化形貌和尺寸, 采用计算流体力学软件Fluent探究形貌成型机理, 建立了激光毛化过程3维瞬态模型。考虑热传导、热对流、材料热物性参量等影响因素, 采用焓法处理固液相变移动边界, 通过用户自定义函数加载激光热源, 计算得出熔池温度场与流场。基于数值模拟, 采用单因素轮换法进行了毛化工艺试验, 研究了激光功率密度、脉宽两因素对毛化形貌、几何参量的影响。结果表明,激光功率密度在2.04×104W/mm2~3.57×104W/mm2, 脉宽在100μs~1000μs之间;以氮气作为辅助气体, 可获得球冠状、凹顶球冠状、M状3种形貌。该结果对模具毛化种类具有指导意义。

以45#钢为研究对象，采用波长1064 nm 的脉冲激光在45#钢表面进行微凸起造型，利用扫描电子显微镜和三维形貌仪表征形貌。试验得到球冠状、墨西哥帽状和M 状形貌三种典型微凸起形貌。结合温度场以及气化反冲压力数值估算，系统研究了激光脉宽和峰值功率密度对微凸起形貌的影响规律，提出了一种火山口形貌形成的新机理。结果表明：微凸起形貌是激光与材料作用过程中热、力耦合作用的结果。中心凸起形貌由熔池内对流形成，峰值功率密度低，脉宽短，形成球冠状形貌。峰值功率密度越高、脉宽越大，所得中心凸台越高越细，演变为墨西哥帽状。当熔池中心温度超过材料沸点，材料气化形成的反冲压力，在熔池中心凸起顶端反压出凹陷，形成M 状形貌。该结论有助于控制脉冲激光毛化制造微凸起的微观形貌。

探讨了单脉冲同点间隔多次(SPI)工艺对激光微织构加工效果的影响。采用纳秒倍频Nd³⁺∶YAG 激光器在45钢表面进行激光微织构实验，研究激光能量密度、脉冲个数对微凹腔几何形貌参数的影响规律；分析烧蚀所致表面等离子体对激光吸收率的影响；并从实验和温度场模拟角度，对比分析了SPI工艺相比同点连续多次工艺的特点及技术优势。结果表明：随激光能量密度增加，微凹腔直径呈对数函数关系增加，而凹腔深度则随之先增大后趋于平稳，最后略微下降。作用脉冲个数对凹腔直径影响不明显，但凹腔深度随之呈线性增加。较之同点连续多次工艺，SPI工艺能最大限度降低激光加工产生的负面热效应，且多脉冲作用对微织构内部形貌具有“平滑”作用；同时，在保证单个脉冲材料去除率的条件下，提高了激光加工高质量微织构的总效率。

为了使平面阵列激光微造型方法应用于工程技术领域，基于“单脉冲同点间隔多次”激光微造型新工艺，对平面阵列的加工方法进行了深入的分析研究，给出一种全新的扫描策略，对已有的加工方案进行了路径优化。由于采用该扫描策略进行“单脉冲同点间隔多次”激光微造型时，要求激光头对每行加工初始点进行精确定位，基于此，对工作台的定位问题进行了分析研究，给出了工作台精确定位流程图，并对该扫描策略的编程实现过程进行了分析研究，给出了路径优化后平面阵列加工过程流程图。结果表明，该扫描策略满足既定的“单脉冲同点间隔多次”激光微造型新工艺的加工要求，且能获得较好的微观形貌和表面质量。

在圆锥轧辊轧制带钢时，为了增强轧辊与带钢之间的摩擦力，采用对轧辊表面进行激光毛化的方法，对圆锥轧辊的激光毛化加工过程进行了分析研究，给出加工系统的硬件组成，介绍了加工系统的控制原理。由于在圆锥轧辊表面进行激光毛化属于变径加工，为了保证每个加工圆周处毛化点之间的点距不变，推导出每个加工圆周处圆周直径、总脉冲个数和分频系数等的计算公式，同时给出相应算法，解决了每个加工圆周处最后1个毛化点与第1个毛化点之间间距总是大于点距的问题。结果表明，在圆锥轧辊表面进行激光毛化，不仅增强了轧辊与带钢之间的摩擦力，同时还延长了轧辊的使用寿命。