高功率光纤激光焊接中材料蒸发异常剧烈,小孔内部的高温、高速、瞬态金属羽辉气体难以逸出小孔,并且焊接中高功率密度激光束与使用材料之间的强烈相互作用会导致严重的飞溅缺陷。定量理解羽辉气体和飞溅动力学行为的演化规律和调控机理,可为厚壁构件激光单道焊接的工艺优化和缺陷抑制提供依据。现有理论多采用实验观测方式,难以精确描述羽辉气体和飞溅的演化行为。针对上述问题,本课题主要开展了以下几个方面的研究:本文构建不锈钢高功率光纤激光焊接的实验平台,开展平板堆焊实验,观测小孔孔径、熔池流动以及孔外羽辉气体和飞溅的形貌、喷射方向随时间演化行为,研究孔口处飞溅温度和速度的测量方法,开展“三明治”焊接实验,观测激光焊接时小孔、熔池和孔内羽辉行为,定性研究孔内羽辉气体动力学行为的演变。此外,建立可用于高功率光纤激光焊接的三维数学模型,物理模拟焊接过程中的小孔和熔池随时间的演变动态,再现焊接中羽辉气体和飞溅的动力学行为,定量揭示羽辉气体和飞溅的演变规律和调控机理。本文通过三维综合模型直接观察到在304不锈钢的10 k W高功率光纤激光焊接过程中,中尺度小孔壁上强烈的局部沸腾引起许多小飞溅（LBi S）,大小为数百微米。还进行了参数实验研究,以验证模型并表征焊接过程中小孔壁外的飞溅行为,LBi S行为的理论预测与实验观察非常吻合。该发现表明,LBi S与通常观察到的由蒸汽羽辉对小孔的强烈摩擦作用产生的飞溅缺陷不同,并且该发现证明了飞溅的多样性。此外,提出了一种能量守恒理论来表征LBi S,并提出了一种新的无量纲飞溅数来计算其形成阈值。飞溅数与熔池金属液体的雷诺数和韦伯数有关,并显示了反冲压力、粘性力、表面张力和重力在LBi S形成过程中的重要性。当形成LBi S时,无量纲飞溅数小于1。利用数值预测得到的数据对提出的理论进行了验证,获得了良好的一致性。