激光熔覆层的组织和应力对熔覆层的裂纹控制具有重要影响，而熔覆层的组织和应力与熔覆过程中的预热温度密切相关。本文在铸钢基体表面激光熔覆铁基粉末制备了熔覆层，分析了不同预热温度下熔覆层的组织和应力分布规律。结果表明：预热温度越高，熔覆层与基体之间的元素相互作用越强；当预热温度为100 ℃时，熔覆层中的应力峰值明显降低，平行于扫描方向的残余应力峰值从室温时的594 MPa减小到442 MPa，垂直于扫描方向的残余应力峰值从室温时的579 MPa减小到383 MPa；当预热温度为200 ℃时，应力的降低效果显著减弱；当预热温度为300 ℃，与常温相比，组织应力的影响较大，导致残余应力水平显著提高。

采用ABAQUS有限元分析软件, 建立了一种“焊接+激光冲击强化(LSP)”应力分布模型, 研究了不同能量LSP对316L不锈钢氩弧焊焊缝区域应力分布及应变的影响。研究结果表明, 由该模型模拟得到的残余应力分布与试验结果一致。LSP在焊缝区域表面诱导出残余压应力层, 消除了焊接热影响引起的残余拉应力; 随着激光脉冲能量的增大, 激光冲击诱导的残余压应力以及压应力层厚度增加, 但增加幅度减小; 焊接件表面应变峰值随着激光脉冲能量的增加而增大。

为了解决激光选区熔化成型零件时扫描线过长导致的层内累积残余应力过大、易发生翘曲变形和裂纹等问题，提出了一种分区扫描策略。采用S形正交扫描策略和分区扫描策略分别规划了零件扫描路径,实验验证了分区扫描策略的有效性。实验结果表明,采用分区扫描策略能有效降低边界拉应力,减小平面残余应力波动，提高成型件的力学性能。

采用三维有限元分析方法对16MnR钢激光熔覆Ni-Cr-B-Si合金粉末过程进行了仿真分析，得到了不同激光熔覆参数（激光功率、扫描速度、光斑直径）下的温度场及残余应力分布。采用两种方法来判断最优的激光熔覆工艺参数：1)利用正交试验的直观分析法对基体材料热影响区深度进行进一步分析以获得最优参数；2)利用最大残余拉应力和材料断裂强度的比值来选择最优参数。两种方法得到的最优激光熔覆参数相同。

利用Sysweld有限元软件建立三维有限元模型，采用三维高斯热源，考虑材料热物性能随温度的变化，对平板和回转体内壁进行了激光相变硬化数值模拟。分析了温度场、残余应力以及马氏体分布的异同，研究了工件形状对激光相变硬化温度场和残余应力的影响规律。结果表明，在表层方向上，平板模型和回转体内壁模型的热循环相似；截面方向上，内壁模型峰值温度高于平板模型。处理后相变区组织均主要以马氏体为主，其体积分数约为90%。相变区边缘及热影响区产生残余拉应力，相变区存在残余压应力；与内壁模型相比，平板模型相变区中心残余压应力数值较大。

考虑材料热物性参数和对流换热系数的非线性，以空气、纯水和2#分级油为介质环境，采用连续气流保护熔池，建立基体浸没式激光动态热加工过程的三维数值模型，对不同自然冷却介质中基体热响应温度场及残余应力场进行对比研究。结果表明，三种环境中的温度场规律基本一致，空气中基体温度最高。表面高温区域油冷效果明显，低温区水冷效果明显；油冷环境可有效控制重熔区和热影响区深度，而水冷环境材料表面可获得更大的温度梯度和冷却速度。不同介质环境对残余应力分布影响显著：空冷基体内部应力过大，且在两端应力有集中，整体以拉应力为主，而水、油环境中的热应力得到了及时释放，其中水冷环境对降低残余应力更为有效。