铝合金由于具有密度小、耐蚀性好、比强度高、成型性能好等优点,在航空航天、船舶、轨道交通等领域被广泛应用。相对于普通激光焊接方法,负压激光焊接能够抑制焊接过程中产生的等离子体金属蒸气羽烟,从而增大焊缝熔深,同时稳定焊接过程并降低焊缝中的焊接缺陷,因此在大厚板成型连接加工上具有广阔的应用前景。本文对厚度为30 mm的5083铝合金进行了负压激光焊接研究,采用模拟与实验相结合的方法研究了降低环境压力对铝合金激光焊接焊缝成形及气孔缺陷的影响规律,对比分析了不同环境压力下激光深熔焊的小孔动态行为及熔池流动特征及其对最终焊缝成形及气孔缺陷的影响,并分析了促进负压激光焊接焊缝熔深增大的机理及负压抑制气孔缺陷的原因,为优化焊接工艺提高铝合金的激光焊接质量提供了参考依据。本文首先进行了铝合金激光焊接实验研究,采用回归分析研究了激光功率、环境压力对焊缝熔深、焊缝深宽比及焊缝纵截面气孔率的影响规律。结果表明,在其他工艺条件均相同的条件下,当环境压力一定时,焊缝熔深随激光功率增大而增大;当激光功率一定时,焊缝熔深随环境压力降低而增大。环境压力一定时,随着激光功率增大,焊缝深宽比变化取决于激光能量增大引起的焊缝熔深增大和等离子体金属蒸气羽烟增多引起的焊缝表面熔宽增大幅度;激光功率一定时,随着环境压力降低,焊缝深宽比增大。当激光功率较低(低于5 kW)时,焊缝纵截面气孔率较小,且随着环境压力降低,焊缝纵截面气孔率变化不大;当激光功率较高时,降低环境压力能减小焊缝纵截面的气孔率。激光深熔焊过程中的小孔形成过程及熔池动态行为与最终的焊缝成形及气孔缺陷密切相关,为了研究激光深熔焊过程中小孔形成过程及熔池动态行为,揭示其对焊缝熔深和气孔缺陷的影响机理,本文基于计算流体力学理论,综合考虑激光焊接过程中的能量传递、质量传递、材料相变等物理过程,建立了激光深熔焊模型。热源模型中实现了多重反射与菲涅耳吸收效应。在激光深熔焊中,小孔刚开始形成时,由于多重反射发挥作用小,因此材料对激光能量吸收率较低,随着小孔深度增大,激光吸收率持续增大,最终稳定在某一值上下波动,小孔深度先增大再保持波动起伏状态。熔池凝固从熔合线和小孔下方开始往熔池上方和中心进行。在此基础上,将环境压力对焊接过程的影响考虑到模型中,并对比了不同环境压力下的小孔形成过程及熔池流动行为,发现降低环境压力能够增大小孔形成过程中每个阶段的小孔深度,并最终导致焊缝熔深增大,这是由于降低环境压力能抑制焊接过程中产生的等离子体金属蒸气羽烟,从而增大到达工件的激光能量密度,减小激光折射角,同时降低材料沸点,从而增大焊缝熔深。降低环境压力还能够使激光能量沿小孔壁分布更加均匀,且能够使焊接过程中产生的小孔前后壁搭桥更容易被打开,因此能降低焊接过程中产生气泡的可能性,同时,还能够使产生的气泡更加容易从熔池中溢出,因此降低环境压力能减少焊缝中的气孔。模拟研究结果与实验结果吻合良好,表明本文所建立的数值模型具有较好的科学性,能合理解释铝合金负压激光焊接过程中的熔池匙孔动态行为及气孔缺陷形成机理。