激光增材制造(LAM)技术是智能制造的代表性技术之一，同时也是当前用于金属材料增材加工的主流技术。LAM成型的金属产品具有几何自由度大、尺寸精度高、质量和性能好等优势，已在航空航天、生物医疗、****等行业中取得了广泛而重要的应用。LAM成型涉及以激光为热源的高温加热过程，因此通常需要对加工区域进行惰性气氛保护，避免空气对金属材料的污染。近几年来，利用N₂、Ar-O₂、Ar-N₂、Ar-CH₄等活性保护气氛的LAM技术快速兴起，在多种金属材料的力学性能提升方面取得了令人瞩目的成果，历史性地突破了气氛改性类技术难以影响材料内部的难题。同时，还涌现出在LAM加工前利用活性气氛改性打印原材料的新技术路径。本文针对活性气氛LAM这一颇具前景的新兴技术，阐述了国内外在近年取得的研究进展：从活性气氛保护的LAM加工与LAM原料活性气氛改性处理两大技术方向出发，归纳分析了这一新技术对钢铁、钛合金、铝合金、高熵合金等代表性金属材料的影响，系统比较了材料在力学性能等方面的提升、在组织与成型质量方面的变化，并详细揭示了其作用机理。同时，本文总结了活性气氛LAM技术面临的机遇和挑战，并对进一步明确气氛改性机理、扩展其应用范围提出了相应的展望。

针对开放环境下钛合金在激光熔覆过程中易被氧化的问题,提出了一种局部气氛保护模型。采用Fluent软件分析了不同保护气体流量下局部保护喷嘴可提供的有效保护气氛范围,并通过三次多项式拟合建立了气流有效保护长度的数学模型;然后利用响应面法建立了包括保护气体流量在内的工艺参数与熔覆过程中待保护高温区域长度之间的二次回归模型;对两个模型进行联立分析,最终建立了开放环境下钛合金激光熔覆的局部气氛保护模型。验证试验所得单道熔覆层形貌良好,表面呈银白色的金属光泽,说明熔覆过程中熔池及其周围高温区域得到了有效保护。所建局部气氛保护模型可用于指导开放环境下钛合金激光熔覆过程中保护气体流量的选用。

研究了氦-氩混合保护气体对铝合金激光- MIG复合焊熔滴过渡行为及焊缝气孔缺陷的影响,结合焊接过程中匙孔的动态特征,分析了气孔缺陷得到抑制的原因。结果表明,采用氦-氩混合保护气体时,焊接过程匙孔更加稳定,焊缝气孔率得到有效降低。当氦-氩混合保护气体中氦气体积分数为50%时,熔滴过渡形式由射滴过渡转变为短路过渡,焊缝气孔率约为1.0%,相比于纯氩气保护时降低了80%;继续增加氦气,对气孔的抑制并无显著效果。纯氦气时,焊接过程中产生大量飞溅,焊缝表面成形差。

为了降低轨道列车车身侧墙板不锈钢的制造成本, 探索氮气保护焊接的可行性, 采用不同比例的氮氦混合保护气开展CO2激光搭接焊试验, 并针对等离子体行为、焊缝形貌、接头拉伸性能和疲劳性能等方面进行研究。结果表明, 随着氮气成分的增加, 等离子体温度和电子浓度没有显著变化; 焊缝表面成形良好, 搭接界面宽度略有减小; 搭接界面的金相组织均由γ奥氏体和少量δ铁素体组成; 接头力学性能与疲劳性能均无明显变化, 拉伸断裂位置发生在搭接位置处, 属典型的韧性断裂。进一步分析表明, 氮气保护可有效抑制光致等离子体, 使焊接过程较为稳定; 氮气对搭接界面并无明显影响, 故而对接头的力学性能与疲劳性能亦无明显影响。该实验表明, 轨道列车不锈钢的激光搭接焊可采用氮气保护。

通过微合金C-Mn钢的焊接试验, 研究了不同保护气对激光焊接接头组织和性能的影响。结果表明, 在相同的激光焊接热输入条件下, N2、Ar、空气三种保护气焊接均可获得全熔透焊缝, 但N2气保护条件下焊缝区凹陷最为明显。焊缝区组织均以板条马氏体为主。空气环境下焊缝区形成少量针状铁素体, 夹杂物数量明显多于N2和Ar气保护下焊缝的, 且大尺寸的夹杂物比例较高。三种情况下, 焊接接头的平均显微硬度和强度均高于母材的, 但是空气环境下焊缝的平均硬度略小于N2或Ar气保护下焊缝的。

在不同气压的高纯N2、Ar及N2/Ar混合气体保护条件下, 采用光纤激光器对厚度为2 mm的奥氏体304薄板进行了焊接试验, 研究了保护气体压强、气体类型和混合比例对焊接接头形貌及力学性能的影响。结果表明, 保护气体压强越大, 焊缝熔深就越大, 但气体压强对焊缝强度和硬度无明显影响。使用N2/Ar混合气体作为保护气体时, N2在保护气体中所占比例越大, 焊缝的熔深就越大, 而且使用不同比例的保护气体得到的焊缝均呈“丁”字形; 保护气体类型及比例对焊缝强度和硬度没有显著影响, 但焊缝的强度和硬度均大于母材。

基于试验设计软件Design Expert V8设计试验, 开展激光焊接5A90铝锂合金工艺试验, 研究侧吹保护气流参数对焊缝气孔的影响规律, 拟合侧吹流量、侧吹角度和等效气孔点数的函数图像, 建立数学模型, 优化保护气流参数, 预测Ⅰ级焊缝保护气流参数范围。实验结果表明: 侧吹气流的加入能明显抑制焊缝气孔, 侧吹流量是显著因子, 对气孔影响较大, 随着流量的增加, 气孔点数先增后减, 在侧吹流量为5~7 L/min时有最小气孔点数; 侧吹角度和交互项是不显著因子, 在侧吹角度为20°~30°范围内, 有一个较优值。气孔点数的最优响应模型为三阶模型, 该模型拟合良好, 经验证试验检验, 模型误差范围小于10%, Ⅰ级焊缝易在侧吹流量为3~9 L/min, 侧吹角度为15°~52°范围内获得。

采用不同比例的氮气/氩气混合保护气，对2 mm厚的SUS301L奥氏体不锈钢进行了CO₂激光焊接试验，研究了不同比例氮气保护条件下焊缝的显微组织、综合力学性能和表面耐腐蚀性能。试验结果表明,在不同比例氮气保护条件下，均可得到微观组织形貌无明显差异的焊接接头，焊缝的氮含量基本与母材一致，焊缝中的相均由γ奥氏体和少量δ铁素体组成；接头抗拉强度、弯曲性能及显微硬度与母材相当；纯氩气保护下焊缝的耐腐蚀性能最好。随着保护气中氮含量的增加，焊缝表面的耐腐蚀性能逐渐降低，但腐蚀速率呈减缓趋势。

研究了保护气体中O2含量对CO2激光-熔化极气体保护(GMA)复合焊焊缝合金元素均匀性和熔池流动行为分布的影响规律。结果表明，焊接方向为激光在前时，电弧保护气体中O2含量对复合焊焊缝均匀性具有明显的作用。保护气体中O2体积分数含量达到2%以上时，复合焊焊缝中合金元素的分布基本均匀。对于He-Ar惰性保护气体，在小孔后沿的熔池区域形成了外向流动；而当保护气体中O2含量达到2%以上时，熔池流动为内向流动。保护气体中O2含量对焊缝合金元素分布的影响规律主要取决于Marangoni对流。当电弧保护气体加入大于等于2%O2时，Marangoni对流方向由外向流动变为内向流动，促进了整个熔池的内向流动，获得了合金元素的均匀分布。

为了研究保护气体对奥氏体不锈钢焊接接头力学性能的影响，在相同线能量条件下对加保护气体与不加保护气体两种焊接方式进行了对比研究。采用Nd:YAG 激光器对厚度为0.7 mm 的奥氏体不锈钢进行激光焊接，用扫描电子显微镜、显微硬度计、材料试验机等仪器对焊接接头的微观组织及力学性能进行表征及测试。结果表明，在相同的激光工艺参数下，两种焊接方式均实现完全焊透，且焊缝成型良好。不加保护气体时，随着焊接速度的降低，接头抗拉强度随之降低，最多降低了20%。加入保护气体后，接头的抗拉强度变化平稳，均为母材强度的90%以上。