激光焊接技术是一种广泛应用于工程中的先进连接技术,随着激光输出功率的提高和光束质量的不断改善,激光深熔焊接技术越来越广泛的应用于工业领域。本文广泛调研了激光深熔焊接的研究动态,概述了激光深熔焊接的热点问题,对激光深熔焊接过程的稳定性问题进行了深入研究。本文以激光深熔焊接的基本物理与冶金过程为基础,建立了深熔焊接的三维模型,运用FLUENT软件,结合激光深熔焊接的特点,将激光束处理为与小孔深度适应的动态热源,采用凝固/熔化模型、气化/冷凝模型和VOF模型,对激光深熔焊接过程中的相关热力学问题进行了研究与分析。采用高速摄像仪和多通道光谱仪对激光焊接时的等离子体和熔池进行了观测,结合实验,研究分析了激光深熔焊接时熔池和小孔形成与演变的规律,及激光功率和焊接速度对小孔形态的影响。结果表明:从焊接开始到稳定阶段,小孔不断加深,孔内温度逐渐升高,熔池也随之变大,在稳定焊接阶段,小孔的尺寸和紧邻的温度场变化较小,而熔池逐渐变大,当熔池到达加热和冷却速度平衡后,面积不再增加;随着焊接速度的提高,小孔气化前沿的倾角逐渐增加,而冷凝前沿的倾角缓慢减小;在输入功率较高时,小孔冷凝前沿中下部出现凹陷,上部出现凸峰;凹凸交界处流场方向发生改变形成上下分离的两层环流;凹凸交界流动复杂,容易使小孔塌陷形成气孔。计算结果与实验结果吻合较好,并能对实验中的现象给出合理的解释。结合实验对等离子体的热力学行为和演变规律进行了研究,以小孔端口等离子体压力分布的计算模拟结果为基础,采用空气动力学的基本理论设计了专用于控制等离子体的激光焊接喷嘴。对设计的喷嘴进行了模拟分析,并通过纹影仪对其流态进行了研究分析,结果表明:小孔内等离子对激光的逆轫致辐射吸收远大于小孔壁面的菲涅尔吸收;在激光深熔焊接的初始阶段,等离子体的电子温度和离子温度偏离较大,并逐渐趋于平衡,温度梯度也逐渐变小;在稳定的焊接过程中等离子体成一定频率振荡,上下起伏的振荡频率和尺寸大小波动的频率大致相符,其频率基本和焊缝表面鱼鳞纹条纹的生成频率一致,激光功率的增加对等离子体的温度影响较小;调节双层气体流量,在内层气流量30L/min,外层气流量10L/min时可获得适宜的层流长度,能对等离子体实现很好的控制,获得稳定的焊接过程,得到了无明显缺陷、成形良好的焊缝。基于复合焊接时电弧能有效控制等离子体,对大厚板的Laser-TIG复合深熔焊接的热力学行为进行了研究,分析了各自工艺参数的关系,结合复合焊接工艺的特点,总结了其独特的优越性;按行业标准对优化工艺参数下获得的复合焊接接头进行了力学性能测试。结果表明:采用Laser-TIG复合焊接技术焊接大厚板有明显的优势,可以增加激光能量的利用,改善激光、等离子体及熔池之间的能量耦合,提高焊接速度,优化能量输入,不仅可以降低焊缝对激光功率和功率密度的要求,还可以显著优化焊缝的深宽比,利于焊缝熔池气孔的上浮排出,减小气孔滞留倾向,获得无明显缺陷的焊缝;采用复合焊接技术焊接大厚板时,可以明显改善焊接工艺对焊接接头装配间隙和错边的适应性;采用复合焊接技术焊接船用16mm厚的10Cr Ni Mn Mo V钢板的焊接接头的金相组织和晶粒度过渡性较好,硬度高于母材,强度和冲击性达到母材水平,高于行业标准要求,完全满足行业需要。