小孔效应是激光深熔焊模式的核心问题,因此本文深入研究了Nd:YAG激光深熔焊接过程中小孔形成和消失的临界功率及其过程、小孔的动态特性等问题,旨在揭示激光深熔焊接过程中小孔特征.最后基于自主开发的Nd:YAG激光深熔焊接过程同轴视觉传感系统实现了大功率Nd:YAG激光深熔焊接过程中焊缝熔深的直接监测、工件焊透的判断及焊缝熔宽的监测.本文根据小孔形成过程中应满足的能量条件,运用极限的原理推导并建立了小孔形成临界功率的求解数学模型,并对求解结果进行了验证.本文分析认为,小孔形成过程中由热传导造成的能量损失是产生幅值误差的主要原因,并定量分析了热传导对计算结果造成的误差;在小孔形成临界功率的求解过程中没有考虑一定深度范围内材料的蒸发以及在小孔形成过程中激光束焦点位置发生偏移是产生对称轴误差的主要原因.针对目前激光焊接过程监测中存在的问题,自主开发了大功率Nd:YAG激光深熔焊接过程同轴视觉传感系统,基于该系统研究了小孔二维径向特征参数随焊接规范参数变化的动特性,并实现了焊缝熔深和熔宽的直接监测.对所采集的小孔和熔池的同轴视觉图像,经均值滤波除噪和同态滤波增强的预处理后,利用阈值分割技术检测并提取出小孔和熔池的边缘.小孔动特性的研究结果表明,在常规离焦量范围内,小孔径向尺寸大于辐照在工件中的激光光斑的大小,这说明激光束主要辐照在小孔的前壁和底部,对小孔的侧壁和后壁没有直接的辐照加热作用;孔内高温的金属蒸气和等离子体对孔壁的加热作用是小孔径向形态大小的主要影响因素.鉴于目前对小孔同轴视觉图像的灰度值的最大值能否反映焊缝熔深还存在一定的争议,本文首先比较了不同焊接规范参数下小孔同轴视觉图像灰度值的最大值.对比结果表明图像灰度值的最大值不随焊接规范参数的变化而变化,从小孔同轴视觉图像灰度值中得不到小孔深度和焊缝熔深的信息.对激光深熔焊接过程的分析认为,当激光深熔焊接过程达到稳态后,小孔深度和焊缝熔深不再变化,激光束的能量主要用于熔化和气化小孔的前壁以推动焊接过程的不断进行.因此,基于焊接过程中小孔前壁满足的能量平衡推导建立了小孔深度的求解模型,在小孔深度与由同轴视觉传感监测提取出的小孔二维径向尺寸和焊接规范参数之间建立了直接的映射关系,并基于求出的小孔深度和孔底液态金属层厚度实现了焊缝熔深的直接监测.引入焊接体能量的概念来评价激光深熔焊接过程中焊接规范参数对小孔深度和焊缝熔深的影响.最后,基于熔池宽度的监测实现了焊缝正面熔宽的监测,其监测误差不超过8%.