为了探究多脉冲在毫秒激光作用下织构形貌的演变规律，本文建立一个二维对称模型，考虑反冲压力、表面张力和蒸发速度对熔池变化的影响，用来分析形貌演变的规律并对其进行实验验证。研究结果表明，在反冲压力的作用下，凹坑深度和凹坑直径随着脉冲次数的增加而增大；熔池中心凸起和边缘凸起的形成与热毛细力和拉普拉斯压力有关，并且随着脉冲次数的增加，熔池中心的凸起高度减小；熔池边缘处，在热毛细力的影响下熔质向中心流动，并且随着脉冲次数的增加，边缘凸起的高度减小。

采用脉冲激光器实现了TC4钛合金/6082铝合金的焊接, 并用有限元分析软件对接头温度分布及界面处热循环进行了数值计算。根据激光焊接小孔效应的特点以及钛合金与铝合金间热物理学性质的差异, 并以熔化焊熔池形成过程及异种金属液态界面间的相互作用形式为依据, 建立了熔池金属流动模型, 阐述了钛/铝异种金属焊接过程中液态金属的流动特点, 解释了界面的形成过程与机理, 分析了接头在不同热输入条件下的断裂模式。试验结果表明：在钛/铝激光焊接过程中, 熔池内复杂的液流及多种影响因素使得反应界面呈不规则形态, 同时也影响了脆性金属间化合物TiAl、TiAl2和TiAl3的分布。在不同的热输入条件下, 反应界面形态与脆性金属间化合物的分布会发生改变, 接头的断裂模式也会有所不同, 接头的抗拉强度会随热输入的增大而降低。

建立了激光-MIG复合焊接过程的三维瞬态传热和流体流动模型,分析了小孔行为、熔池温度场和流场演变过程的特点,探讨了激光电弧前后相对位置对熔池传热和流动的影响。模型考虑了焊枪倾角对熔滴过渡的影响以及多次反射对激光能量分布的影响。结果表明:小孔壁面向下流动经熔池底部反射后形成后向流动和逆时针环流;后向流动向熔池尾部输运热量和动量,增加熔池体积;而逆时针环流则冲击小孔后壁,降低小孔的稳定性。激光在前时,熔滴和电弧压力作用在小孔后方,并产生两个流动模式:朝向前方和四周的流动。朝向前方的流动增强了逆时针流动对小孔后壁的冲击作用,使得小孔坍塌现象更加严重;朝向四周的流动将热量输运至熔池两侧,增加了焊缝宽度。

基于航空航天领域减重的需求，铝锂合金激光焊接越来越受到国内学者的广泛关注。对2 mm厚2060-T8铝锂合金进行激光平板对接焊和焊缝微观组织形貌分析，并通过熔池流动机制解释铝锂合金熔焊焊缝边缘等轴细晶区(EQZ)的形成机理。分析认为，激光热作用及熔池对流的影响导致焊缝边缘不同区域异质形核质点的数量与分布有所不同，使上部EQZ宽度较窄，“腰部”EQZ宽度相对较大。此外，根据熔池流动机制，在焊缝边缘上部及“腰部”的部分形核质点会沿上熔合线切线方向被带入熔池，并在此基础上形核长大形成一条延伸至焊缝内部的等轴晶带。

在焊接过程中, 熔池的流动特征与气孔、咬边等缺陷密切相关, 对熔池的结晶过程以及焊缝成形也有重要影响。以低合金高强钢为研究对象, 通过钻孔填埋ZrO2颗粒作为示踪粒子, 利用高速相机记录匙孔位置、电弧形态及熔池的流动特征, 研究了不同光丝距下激光-电弧复合焊接熔池表面的流动规律。结果表明：当光丝距为1 mm时, 匙孔位置不稳定, 发生了漂移现象, 示踪粒子绕过电弧作用区后沿中轴线流向后方; 当光丝距增加至3 mm时, 匙孔位置相对稳定, 但示踪粒子在流动过程中出现了典型的卡门涡街现象; 随着光丝距进一步增加至5 mm时, 匙孔位置稳定, 但示踪粒子在流经激光与电弧中间区域时出现了停滞现象, 此条件下示踪粒子的运动距离最大。通过对比三种光丝距下的焊缝截面形貌可以发现：当光丝距为1 mm时, 焊缝底部存在气孔缺陷, 这是光丝距过小导致匙孔不稳定而造成的工艺性气孔; 当光丝距为5 mm时, 两热源间距过大, 导致两热源的耦合效率下降, 熔深显著减小; 当光丝距为3 mm时, 焊缝无缺陷, 且熔深最大。

激光熔池流动模式和熔池流动特征决定了焊缝成形和焊接缺陷的分布, 因此研究不同焊接位置对激光焊接流动行为的影响对优化焊接位置和焊接参数具有重要意义。采用1.5 kW板条型CO2气体激光进行了平焊和立焊向上、立焊向下等不同焊接位置下的焊接试验, 并采用高速摄像对其熔池小孔特征进行了监测, 再采用粒子图像测速(PIV)方法对熔池流动特征进行了定量表征和分析。明确了激光焊接时的熔池流动模式, 在熔池区域存在着两个大的涡流区域, 分别在熔池周围和在熔池的尾部。与立向上焊相比, 激光立向下焊的熔池形状呈扁圆形, 宽度增加而长度减少, 小孔的面积增加, 其熔池流动的脉冲特征减弱, 熔池流动的稳定性增加。这与立向下焊时熔池上方液态金属受重力影响向下流动, 与下方液态金属受蒸汽反冲压等驱动向上流动, 两者相遇产生的强烈搅拌作用有关。这为理解不同焊接位置不同的焊缝成形和气孔率差异提供了依据。

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。

以5.0 mm厚高强钢板为实验材料, 采用CO2激光-MAG电弧复合焊接方法, 研究了光丝间距对复合焊接熔滴过渡特征、焊缝形貌和焊缝溶质分布的影响。结果表明, 复合焊接中光丝间距大小影响了两种热源的相互作用效果, 导致熔滴过渡形式不同, 其中光丝间距为4 mm熔滴过渡频率最大, 焊缝形貌较好。而复合焊接熔池冷却结晶过程伴随着液态金属的流动, 液态金属的流动是影响焊缝内溶质分布的重要因素。在光丝间距DLA＝3 mm, 添加元素与熔池表面距离为1.0 mm时, 所添加元素在熔池中含量较高且其分布最为均匀。

激光-电弧复合焊接相对激光焊接的优势之一是通过焊接材料的添加，调整焊缝的合金元素成分，改善焊缝组织与性能。焊接材料添加的合金元素在焊缝中的均匀分布是体现激光-电弧复合焊接这一优势的关键。然而，对于窄而深的激光-电弧复合焊焊缝，实现合金元素的均匀分布是非常困难的。研究了焊接工艺参数对CO2激光-熔化极气体保护(GMA)复合焊焊缝合金元素分布的影响规律，并讨论了熔池流动行为与合金元素分布均匀性的关系。结果表明，随着焊接速度的减小，CO2 激光-GMA 复合焊焊缝合金元素的分布趋向于均匀分布；随着坡口间隙的增大，焊缝合金元素均匀程度越高。焊接方向为激光在前时，激光-电弧复合焊接熔池流动为内向流动时(即熔池表面从熔池后部向小孔流动，并且小孔后沿液体向下流动)，焊缝合金元素分布较均匀，其均匀性高于焊接方向为电弧在前时的情况。焊接方向对焊缝合金元素分布的影响规律主要取决于电弧拖拽力和熔滴对熔池冲击力的方向。当焊接方向为激光在前时，电弧拖拽力和熔滴对熔池冲击力指向小孔方向，促进了熔池内向流动。