为了利用激光熔覆直接成形技术得到异形变截面圆环链轮轮齿模拟件，采用光内送粉技术、利用库卡机器人进行运动控制。根据优化的工艺参量，采用高度额外增量法、长度额外增量法规划扫描路径，精准地控制每层提升量。实验前对基板进行预热，并对成形零件进行检测分析。解决了异形件堆积最容易出现的边缘塌陷问题。在保证变截面结构尺寸各处充分的基础上，较好地控制了加工余量。避免了熔覆层的开裂和剥落，在42CrMoV基板上成功堆积出异形轮齿模拟件。结果表明，光内送粉粉末利用率达60%以上；成形轮齿表面光滑无粘粉，各尺寸误差均在合理范围之内；轮齿与基板冶金结合良好，组织均匀致密，各处硬度均匀。

为了得到表面粗糙度低的立面变径回转体,采用中空激光光内同轴送粉技术进行立面堆积的方法,着重对中空激光立面堆积的优点以及激光光头姿态、光头提升量z、激光功率对立面堆积成形件表面粗糙度的影响进行了理论分析和实验验证。在立面堆积过程中,激光光头始终保持与熔道表面垂直,同时对提升量z、激光功率进行实时控制,最终得到表面光滑的立面回转体成形件,其粗糙度Ra为0.497m~2.163m;Rz为1.992m~7.447m。结果表明,该方法在立面堆积方面具有适用性,可以得到表面粗糙度低的成型件。

为了保持激光熔覆过程中熔池温度的相对稳定，采用比色测温与比例-积分-微分（PID）控制策略相结合的方法实现了熔池温度的闭环控制，搭建了一套基于双通道彩色CCD的激光熔覆成形熔池温度在线测控系统。将发射率ε纳入到待定系数K中，建立了灰度比值与K的对应关系，推导出了熔池温度的计算公式。基于Socket通信实现了温度在工控机与机器人控制器之间的信号传递，设计了基于激光功率变化的温度控制器算法。结果表明，此系统能实时准确地测量并控制熔池温度，控制精度在3%以内；将该系统运用于薄壁圆筒堆积成形实验中，能够有效消除激光熔覆成形过程中的温度累积效应；成形件底部与顶部外径仅相差0.9mm，成形件各处显微组织差异较小，组织致密均匀。该控制方案具有实时性好、成本较低、便于集成应用等优点。

光内送粉喷头是一种新型的激光熔覆同轴送粉喷头,具有空心光束、单根粉束指向性好、无干涉、光粉气一体同轴等优势。为了分析喷头倾斜角度和外层准直气流速对粉束汇聚特性的影响,采用FLUENT软件进行模拟计算,对喷头在空间变姿态作业过程中单喷嘴出口粉束的汇聚特性进行了理论分析和实验验证。结果表明,喷嘴出口粉末质量浓度分布沿x方向服从高斯分布,对称轴上沿-y方向质量浓度先基本保持恒定,后逐渐下降为0kg/m3;随喷头倾斜角度的增大,粉末汇聚长度h不断减小,h变化范围为11mm~17mm,偏移量Δx大致呈增大趋势,Δx变化范围为0.0mm~0.4mm;随外层准直气速度增加,汇聚长度h呈轻微上升趋势,h上升幅度为1mm~2mm,而偏移量Δx在不同倾斜角度范围内呈现出不同变化趋势,Δx变化幅度为0.05mm~0.15mm;实验数据与模拟结果变化趋势基本吻合。所建模型和模拟结果对于选择和优化实验工艺参量具有参考价值。

为了改善现有激光宽带熔覆送粉喷嘴中金属粉束发散、粉末利用率低的问题,设计了一种送粉喷嘴的准直气罩;为了实现在宽带激光束内部均匀地对熔池送粉,保证粉末受热均匀、粉束发散小,设计了一种流道。应用FLUENT软件对准直气罩内部流体分析,确定装置内部型腔和出口尺寸,以减少出口处的紊流,达到较佳的准直效果。最后利用研制的送粉装置进行送粉试验,验证了该准直气装置的实验效果。结果表明,准直气帘的宽度为粉束宽度的1.5倍时,准直效果较好。