国产大飞机的加速研发,使得耦合先进激光热源和电弧热源的激光-MIG复合焊在相应大尺寸、大厚度的Invar合金模具焊接领域逐渐得到应用。复合焊待优化的工艺参数众多,且熔池和匙孔动态行为严重影响焊缝成型质量。因此,本文通过模拟与实验相结合的方法,研究了以Invar合金为对象的激光-MIG复合焊接过程温度场分布、流体流动状态及熔池和匙孔的动态演变过程,为优化激光-MIG复合焊工艺参数和理解其复杂的物理现象奠定基础。首先,开展了19.05mm厚度Invar合金三层三道复合焊接实验,对接头宏观形貌、微观组织及力学性能进行综合分析,得到了厚板Invar合金复合焊接的最佳工艺参数。根据最佳参数设计了7mm厚度Invar合金单道平板复合焊实验,用以验证相应参数下流场模型仿真结果的准确性。其次,基于激光、MIG电弧和熔滴相互耦合的特点,在质量、动量、能量守恒方程基础上建立了合理的复合焊接数学模型。用UDF附加源项的方法处理了能量输入、热和动量边界条件、相变引起的潜热吸收和释放等问题。采用了渗透率一定的Darcy多孔介质模型计算固-液界面,并采用了多相流模型的VOF方程追踪熔池自由界面,在此界面上完成金属蒸汽反冲压力等动量的添加。再次,以光束追踪热源模型作为激光热输入,考虑了匙孔壁对光线的菲涅尔能量吸收情况,以双椭球模型作为电弧热输入,双椭圆模型作为电弧压力,熔滴过渡视为工件上方特定区域匀速流入的高温液态金属,并以球状过渡形式进入熔池。模型充分考虑到匙孔瞬态演变,熔池的对流和传热,工件的熔化、凝固和蒸发等复杂现象,以及重力、表面张力、Marangoni力、电磁力、电弧压力、反冲压力和熔滴带来的冲击力。最后,对7mm厚度Invar合金激光-MIG复合焊进行了模拟仿真,得到了复合焊接过程温度场分布、流体流动状态、熔池和匙孔的动态演变过程,讨论了匙孔稳定性的影响因素,探索了激光功率、焊接电流和焊接速度等工艺参数对匙孔和熔池的成型影响。将模拟结果与相应参数下实验结果进行对比,发现其吻合良好,验证了本文所建立数学模型的准确性,和所改进的激光、电弧、熔滴复合模型的合理性。