本文以毫秒激光打孔为例,针对激光与金属材料相互作用过程中存在的熔融喷溅、重铸层和微裂纹等现象开展数值模拟和实验验证研究,进而研究了相应的物理机理。在毫秒激光打孔过程中,受辐照的材料发生熔融直至剧烈汽化产生的压力将熔融液体抛出,形成的小孔壁面受到反冲压力、表面张力和Marangoni力等耦合作用,同时发生固/液、液/气间的相变。基于改进的流体动力学方程和水平集方程,考虑相变潜热和力作用影响,建立了适用于激光打孔的流体动力学模型。在建立激光打孔流体动力学模型的基础上,以典型金属材料钢和铝为试样进行了数值计算研究。其中通过对比分析熔融液体喷溅的特点,提出了液化层概念,得到了熔融喷溅量与材料热扩散率的半定量关系;构建了适用于熔融喷溅的实验诊断系统,实现了对熔融喷溅过程实时记录、熔融喷溅比重定量分析和熔融喷溅沉积形貌成像观测。通过对比实验数据和计算结果,进一步验证了模型的合理性。以航空发动机材料TC4合金为试样进行激光打孔仿真的研究中,提取了小孔演化过程的液化层。通过分析液化层的温度场和速度场,探讨了重铸层形成的热-力耦合机制,得到了表达重铸层厚度的数学关系式;利用扫描电镜观测和验证了重铸层形成机理。在毫秒激光打孔过程中,工件基体温度的剧烈变化将导致产生热应力,从而诱发微裂纹。基于传热学和结构力学理论,考虑热膨胀和热软化对热应力形成和发展过程的影响,用水平集法追踪液/气交界面,建立了毫秒激光打孔的二维轴对称热-弹塑性计算模型。结合材料的屈服强度随温度变化特性和温度场、应力场演化规律,得到了重铸层内微裂纹的长度和深度。数值仿真结果与实验结果吻合。本文的研究结果可供长脉冲激光打孔机理研究,以及优化激光加工工艺参考。