激光深熔焊接过程物理现象复杂,内部机理涉及多学科和领域,学术界对激光深熔焊接中小孔和熔池行为的内部机理及缺陷的形成尚不十分清楚。基于此,本文了建立了基于Level Set方法的激光深熔焊接数值模型,采用试验方法对模型的准确进行了全面的验证,然后结合试验观测和数值模拟各自的优势,全面而深入地对小孔和熔池动态形貌、温度场、速度场进行了研究。首先,论文在系统地分析了激光深熔焊接过程中材料与激光作用机制的基础上,考虑了小孔多重反射吸收、熔池动力学、传热传质等物理因素,构建了激光深熔焊接数值模型。模型中采用Level Set方法追踪气液界面,混合模型处理固液界面,并在追踪气液界面时采用了窄带自适应网格。为了验证数值模型的准确性,文中设计了四个试验,分别获取了熔池和小孔的上表面形貌、侧面形貌、上表面温度场及内部温度,对相应的模拟结果进行全面而系统的验证,证实了模拟结果的准确性。随后,研究了焊接工艺参数对小孔和熔池形貌及内部温度场的影响。研究表明:随着激光功率增加,熔池长度、宽度和温度增加,小孔深度和温度也增加;随着焊接速度的增加,熔池长度增加,宽度却减小,小孔和熔池温度也都相应地降低。模拟研究了熔池形成过程中三个阶段的温度场分布,初期熔池高温区集中在小孔底部,温度场分布有一定的对称性;中期熔池高温区分布较分散,小孔区域向焊接方向倾斜,温度分布变化很大;末期熔池高温区细长,深度维持在一定范围内波动。此外运用模拟得到的内部温度场解释了气泡的形成机理和小孔开口处前壁和孔底高温区产生的原因。接着,在试验中观察到熔池后沿靠近焊缝区域漂浮一层凝固薄层,靠近熔池尾部厚度大且分布密集,靠近熔池前部厚度薄且分布零散,通过模拟得到了薄层分布的区域温度区间为1600–1800 K,低于了材料的凝固温度1809 K,并且熔池尾部与空气接触形成的低温区面积大于熔池前部分低温区面积,这很好地解释的凝固薄层的形成和分布现象。最后,通过添加粉末颗粒获得了熔池表面速度和流动情况,越靠近小孔,熔池速度越大,且波动越剧烈。同时试验测得小孔前沿飞溅和后沿飞溅的速度分别为10.07 m/s和2.99 m/s。小孔前沿飞溅主要是由小孔前壁凸起气化不均匀产生的反冲压力、金属蒸气与小孔前沿熔池产生的摩擦剪切力、自身重力以及表面张力不平衡导致的。小孔后沿飞溅形成的主要原因是蒸气波的向上运动,而孔内金属蒸气/等离子体的蒸气压力和喷发的剪切摩擦力是蒸气波运动的主要驱动力。对于瞬间爆发式的飞溅,它产生于小孔从闭合到张开的瞬间,孔内蒸气压力远远大于孔外大气压力,剧烈喷发的金属蒸气/等离子体导致周围的熔池向四周喷发。而小孔周期性的运动会导致小孔下部出现坍塌,造成孔内蒸气/等离子体的流动紊乱,严重的坍塌也会产生飞溅。