激光穿孔是现代工业生产中重要的加工手段。明晰激光穿孔过程中激光热源、辅助气体与被加工物间的作用机理及被加工物的多相流变化过程，对指导实际生产工作至关重要。本文提出一种相界面随动热源模型，旨在动态模拟3 mm钢板的激光穿孔过程，揭示其穿孔加工机理。首先，融合相变界面随动热源模型与辅助气体模型建立激光穿孔模型，规划计算流程，对激光穿孔过程进行多场耦合多相流动态模拟；其次，分别对穿孔相变的温度场及流场结果进行分析，明晰穿孔过程中金属的相变过程、熔池的温度变化过程，金属液相随辅助气体的流动过程。分析结果表明，采用相变界面随动热源模型的仿真结果可有效模拟激光穿孔加工的动态过程，揭示其作用机理。

热源类型、工艺参数及产生的温度场分布、热循环特性等对激光熔覆成形件组织和性能有重要影响。中空环形激光熔覆技术因其采用光内送粉,具有光粉全程耦合、粉末集束性好、熔池温度分布均匀等特点,利于获得表面光洁、组织性能良好的成形件。为深入研究熔覆过程中的温度场特性及其对组织性能的影响规律,构建了中空环形热源数学模型,获得其理论解析式,其后通过测定熔池尺寸以及光斑尺寸确定模型参数,最后利用ABAQUS软件模拟中空环形热源移动时的温度场分布及热循环曲线。结果表明,实验测试的温度场分布与模拟分析一致,热循环模拟曲线也与实测值高度吻合,由此可得该中空环形热源模型有较好的精度和适用性。

基于激光穿透焊的工艺特性和热源特点, 建立了新型的高斯面热源+三维锥体热源的组合式热源模型。先采用正交试验法探索五个模型参数对焊缝熔深和熔宽的影响, 筛选出权重比较大的f1、ze、re三个参数。然后, 基于Weldox960钢激光焊接试验结果, 用模式搜索法对混合热源模型进行了反演计算, 将反演后获得的模型参数带入模型进行熔池温度场的模拟。结果表明, 计算结果与试验结果吻合度非常好, 证明高斯面热源和三维锥体热源的混合热源能够有效的模拟激光焊过程中的热流分布。另外, 还发现相比于离焦量而言, 三个模型参数和功率的关系比较明显。

基于不锈钢薄板非熔透CO2激光搭接焊和光纤激光搭接焊获得的实际焊缝形状，采用表面高斯+柱状体复合热源模型，得到热源比例系数分别为0.85和0.70。对其余4个热源描述参数，包括高斯热源半径和深度、柱状热源半径和深度进行正确设置，就可以获得不同焊接功率和焊接速度下，搭接焊缝形状表征参量(表面缝宽、中间熔宽和熔深)的变化规律。模拟结果与试验结果符合很好。

利用SYSWELD软件所提供的3D高斯热源和双椭球热源模型对高强钢进行激光-电弧复合焊接数值模拟, 发现该模型可获得与实际焊接熔深和熔宽基本符合的温度场, 但是对整个焊缝的轮廓进行拟合时仍然存在较大的误差。在SYSWELD软件所提供的三维锥体热源的基础上进行了二次开发, 重点研究了旋转对数和旋转双曲线两种旋转体热源模型。结果表明, 此组合体热源模型比软件自带热源模型更准确地反应焊缝的截面形貌。

基于有限元计算软件MARC，对16 mm厚低合金高强钢激光填丝多层焊温度场和应力场进行了三维数值模拟。利用生死单元法，采用热流密度线性衰减高斯圆柱热源模拟匙孔效应，双椭球模型模拟焊丝受热过程。计算结果与实际结果对比，两者基本吻合。计算结果表明，层间保温能够有效降低接头冷却速度，减小激光填丝焊残余应力，改善厚板多层焊接头性能；多层焊应力集中主要位于中下部焊道及其热影响区；焊接中坡口有收缩趋势，焊后工件有一定角变形。

通过实际施焊试验,优选出1.2mm厚不锈钢板对接激光焊的焊接工艺参数,用该参数在ANSYS有限元分析软件中对其焊接温度场进行了模拟。建立高斯表面热源与双椭球体热源叠加的组合热源模型,通过对焊缝截面形状的比较探讨了该组合热源中的两种热源模型的功率分配。选用面热源与体热源功率之比为3∶7时模拟出的焊缝截面形状与实际施焊的结果最为接近,并且显著优于采用单个热源模型加热时的模拟结果。

激光焊接热循环对焊接接头的性能影响至关重要。考虑等离子体对工件表面的作用以及小孔内等离子体对激光能量的吸收,建立了点热源和逐渐衰减的线热源相叠加的数学模型, 其中对线热源采用了分层处理技术。利用模型对低碳钢的激光焊接进行了求解,并将计算与实测的结果进行了对比。计算与实测结果显示二者有较好的近似性。