金属材料在海洋环境下服役时表面会产生海洋生物污损，严重影响材料的服役寿命，必须对其进行定期清理。以30Cr3高强钢表面海洋生物膜层为清洗对象，采用纳秒脉冲激光清洗海洋生物膜层，对比分析海洋生物膜层激光清洗前后的宏观形貌、微观形貌、元素组成与表面粗糙度，通过高速摄像设备观察清洗过程中的脱附行为，探究不同激光能量密度对海洋生物膜层激光清洗质量与脱附行为的影响。结果表明：黄海海域中浸泡的高强钢表面海洋生物膜层包含主要由有机成分构成的胞外聚合物（EPS）层和主要由石灰质构成的表面硬质附着物两种组分，在不损伤基材的前提下，纳秒脉冲激光清洗高强钢表面海洋生物膜层的效果随激光能量密度的增大而增强，采用9.95 J/cm²的激光能量密度清洗效果最佳，清洗后表面无海洋生物膜层成分残留，表面粗糙度S_a=17.31 μm，较清洗前下降约47.8%，其中，EPS层主要通过烧蚀分解去除，而表面硬质附着物主要通过热弹性振动从表面剥落去除。

利用光纤激光对TA15钛合金蒙皮网格结构进行焊接，采用同轴高速摄像监测方案对不同焊接参数下的熔池形貌进行图像采集与特征提取。结果表明，采取基于亮度特征的熔池边缘分段提取方法可以解决熔池图像前后亮度不均匀问题，提取准确的熔池边缘信息。熔池宽度和后拖角度与对T型接头焊缝结合面宽度具有强相关性，熔池长度、宽度、后拖角度与T型接头焊缝熔深具有强相关性。同时，建立了焊接工艺参数与焊缝成形的回归分析模型，并对焊缝成形尺寸进行预测，焊缝结合面宽度和熔深的平均预测误差分别为0.14 mm和0.10 mm。

2195-T87铝锂合金是轻质高强的新一代航空材料，但相比于传统铝合金，铝锂合金的焊接难度更高。基于铝锂合金蒙皮-桁条结构的焊接需求，采用激光束圆形摆动的方式配合Al-Si焊丝对2195-T87铝锂合金T型接头进行双侧激光摆动焊接，对比摆动激光焊接与无摆动激光焊接所得接头的焊缝成形与组织特征，并探讨了热输入、摆动频率以及摆动幅度对焊缝成形质量的影响，最终获得了优化工艺参数下的接头横向与轴向拉伸强度，分析了通过光束摆动改善焊缝成形质量、提高接头强度的效果。结果表明，采用高焊速、低热输入与中等摆动幅度和摆动频率的双侧激光摆动焊接可改善焊缝表面成形质量，抑制气孔生成，细化焊缝晶粒，缩小等轴细晶区尺寸，进而提高接头的横向与轴向拉伸性能，所得接头的最大轴向拉伸强度为267 MPa，横向拉伸强度为420 MPa，对比无摆动焊接分别提高了123 MPa和95 MPa，达到了母材强度的45%和70%。

针对表面涂有150 μm厚环氧基底漆涂层的2024铝合金，采用不同脉冲频率的纳秒脉冲激光进行激光清洗试验，分析了激光清洗后试样的表面形貌、表面粗糙度、清洗厚度以及清洗机理等。试验结果表明：表面粗糙度（R_a）受频率的影响较小且在3 μm左右。计算了不同脉冲频率下的清洗深度，结果发现，当频率为10 kHz时，清洗深度约为130 μm。通过数值模拟分别研究了激光清洗过程中脉冲频率对烧蚀机制中烧蚀量和剥离机制中热应力的影响。数值模拟结果表明：烧蚀量随着频率的增大而降低，在5~25 kHz范围内烧蚀量的最大降幅超过9%；通过最大热应力与脉冲能量密度的线性拟合计算得到剥离机制的触发阈值约为1.64 J/cm²；在脉冲能量密度高于1.64 J/cm²的条件下，频率越高，越难积热，从而使得烧蚀机制越弱；越大的频率使得热应力超过结合力的频次更多，剥离机制增强，能获得更好的清洗效果。

采用不同脉冲频率和脉冲宽度的纳秒激光开展了2024铝合金表面150 μm厚环氧基底漆涂层的激光清洗研究，分析了激光清洗试样表面的宏观和微观形貌，探讨了不同激光参数下的除漆效果以及基材表面的损伤情况，并计算得到了在脉冲宽度为60 ns、脉冲频率为20 kHz下的基材损伤阈值为556.17 W。试验结果表明：当激光功率、脉冲宽度和脉冲频率分别为500 W、60 ns和20 kHz时，试样表面的油漆涂层被完全去除，且基材表面未发生熔化；在该参数下清洗后，试样表面氧元素的质量分数为43.44%，与原始基材表面氧元素的质量分数（42.51%）接近，说明基体表面的阳极氧化膜在激光清洗过程中未受损伤；在激光功率为500 W、脉冲宽度为60 ns、脉冲频率为20 kHz的激光参数下除漆后，基材表面的显微硬度为168.34 HV，接近原始基材表面显微硬度的99.1%，说明采用该参数清洗未影响基材表面的显微硬度。

分别采用毫秒级和纳秒级脉冲宽度的激光对2024铝合金表面环氧油漆涂层进行激光清洗实验,使用高速摄像机对激光清洗过程进行监测,分析了清洗后试样表面的宏观与微观形貌。结果表明这两种激光在合适的工艺参数下均能有效去除涂层,获得清洁的基材表面,但二者的除漆特性有较大区别。纳秒脉冲激光除漆的能量效率远高于毫秒脉冲激光。经毫秒级CO2激光清洗后试样表面残留一层黑色炭灰,该物质为油漆涂层的燃烧产物,清洗过程中基材表面不容易发生熔化。纳秒脉冲激光清洗过程中产生了较强的等离子体,有大块的漆层碎片从基材表面剥离,当激光功率高于250 W时基材表面发生明显重熔。结合热弹性振动模型与热传导模型,对两种激光除漆过程的物理机制进行了探讨,发现毫秒脉冲激光除漆的主要机制为气化与燃烧效应,而纳秒脉冲激光除漆的主要机制为热弹性振动效应。

采用干式/液膜辅助式激光清洗方法对高强钢表面的锈蚀层进行处理,研究了激光功率对试样表面状态的影响规律,并对两种方法的除锈机理进行了对比分析。结果表明:两种清洗方法都能有效去除试样表面的锈蚀层,且低功率下液膜辅助式激光清洗效果比干式激光清洗效果更好。优化的液膜辅助式激光除锈工艺参数为:激光功率400 W,脉冲频率10 kHz,脉宽30 ns,此时试样表面氧元素的质量分数为3.38%,试样的表面粗糙度为3.04 μm。

研究了热轧态、1080 ℃/40 min/水冷热处理(HT1)和980 ℃/3 h/油冷热处理(HT2)Ti-22Al-27Nb合金板材的激光焊接接头组织与力学性能。在激光功率为1500 W、焊接速度为1 m/min的工艺参数下得到成形良好的焊缝。热轧态、HT1和HT2板材的组织分别为B2+O+α₂相、B2相、B2+O+α₂相。热轧态和HT2板材接头的热影响区组织从熔合线到母材方向依次为B2相区、B2+α₂相区和B2+O+α₂相区,而HT1板材接头的热影响区组织为单一的B2相。热轧态板材接头在室温和650 ℃下的抗拉强度分别为1023 MPa和675 MPa,延伸率分别为5.48%和2.56%, 而HT2板材接头的抗拉强度分别为860 MPa和680 MPa,延伸率分别为7.04%和4.97%。

通过端接接头的激光-MAG复合焊接实验,研究了焊接方式、光丝间距、能量输入等对熔滴过渡行为及气孔缺陷特征的影响规律。研究结果表明:激光-MAG复合焊接比单激光焊更适用于端接接头的焊接,可以改善焊缝的成形,抑制气孔缺陷;激光引导方式优于电弧引导方式,得到的焊缝内的气孔缺陷较少;适当增加光丝间距有利于焊接过程的稳定性;电弧能量输入主要影响焊缝形态,而激光能量增加则会阻碍熔滴过渡,并使焊缝底部产生气孔缺陷。

通过激光-CMT复合焊试验, 研究了激光波长对熔滴过渡行为的影响。结果表明, 激光通过改变熔池形态和加热焊丝影响了熔滴过渡过程, 激光-CMT复合焊过程比CMT焊接过程稳定。CO2激光对熔滴体积的影响较大, 当CO2激光功率较小时, 激光可以促进熔滴过渡; 当CO2激光功率增大后激光会阻碍熔滴过渡。光纤激光对焊丝加热的作用较小, 但可以增大熔滴过渡频率。CO2激光和光纤激光等离子体温度均随激光功率的增大而升高, 但CO2激光等离子体呈团状喷发, 而光纤激光等离子体几乎不喷发。