随着万瓦级激光器的出现，高功率激光焊接厚板的技术在各种大型装备结构件的制造中得到推广应用。然而，万瓦级激光焊接厚板的过程中易产生飞溅、塌陷、驼峰、气孔等焊接缺陷。相比千瓦级激光焊接，万瓦级激光焊接时，由于激光功率密度高、能量输入多，可产生更多的金属蒸气和更细长的小孔，小孔内气压和熔池流动波动大，金属蒸气和熔池具有更复杂多变的形态，其中机理有待深入研究和揭示。基于此，本文对万瓦级高功率激光深熔焊接中金属蒸气与熔池的相互耦合行为及其与焊接过程稳定性的关系进行了系统研究，对激光与材料相互作用的物理过程以及其中的变化规律进行了深入探讨，揭示了焊接过程中不稳定现象的变化规律和影响焊接过程的重要因素，为控制并实现稳定的焊接过程和良好的焊接质量提供试验依据和理论指导。首先，论文设计了激光束倾斜照射在材料表面的试验，对高功率激光作用在材料表面上形成的熔池特征、蒸气特征进行了观察，对激光的多次反射吸收进行了研究。试验结果显示，激光照射下材料熔化形成的熔池表面上易产生熔液层的波动“涟漪”。随着激光功率密度的增加，“涟漪”产生的频率和移动速度增加。熔池表面上的“涟漪”引起的微小形变可导致反射激光能量的大幅变化，导致局部材料表面吸收的激光能量不一致。多次反射吸收试验结果显示，大量激光能量的吸收主要出现在激光直接照射阶段。此外，论文设计了试验，对激光深熔焊接时喷出的金属蒸气流的推力进行了研究。结果显示，喷出的蒸气流可使下落金属球获得一速度增量，但此增量值小于由小孔内飞出的飞溅速度。分析得出，孔内蒸气对金属熔液的加速作用比孔外蒸气流的推力作用更大。随后，论文采用改进的“三明治”方法，将不锈钢金属材料与GG17玻璃组合夹紧，制成异种材料对接接头形式的焊接试件，进行万瓦级激光深熔焊接试验。试验对深熔小孔内等离子体特征进行了观察和研究，利用采集的光谱信号计算了等离子体电子温度、电子密度、电离度和压力。结果显示，万瓦级短波长激光作用产生的等离子体的量较少。短波长光纤激光产生的等离子体谱线数量少于长波长CO2激光致等离子体的谱线数量。相对孔外等离子体，孔内等离子体的谱线数量较多，其电离程度相对较高。通过试验检测信号计算得到的孔内外等离子体电子温度为4400-6000K；电子密度为2-16×1016cm-3；等离子体的电离度非常低，小于1%；等离子体的瞬态压力为5-943×105Pa。大幅变化的等离子体瞬态压力可导致小孔内气流波动。对等离子体物理参数进一步分析得出，本试验中激光焊接时产生的金属蒸气具有较高的密度和雷诺数，蒸气流可出现紊流特征，且可对熔池壁产生冲击作用。接着，论文基于改进的“三明治”方法，对万瓦级激光深熔焊接的小孔形态、气流与熔池孔壁特征进行了观察研究，对比不同焊接条件下的小孔形态变化，对蒸气流与熔池孔壁间的相互耦合作用进行了深入分析。结果得出，观察到的深熔小孔前沿孔壁上的凸起，可改变照射在孔壁上的激光能量的分布，导致孔内蒸气流波动。深熔小孔的后沿孔壁上易出现形变而产生“蒸气波”。对“蒸气波”进一步分析得出，引起后沿孔壁形变的主导作用力是蒸气压力，熔池压力起到辅助作用。熔透激光焊接时，金属蒸气的流向决定着孔壁熔液和蒸气波的流向。当后沿孔壁上形成的蒸气波向上移动到达小孔出口时，熔池出现隆起、形成液柱和飞溅，小孔开口尺寸变小，金属蒸气喷出的角度发生变化。离焦量变化时，孔内激光能量分布随之发生变化，导致孔壁波动状态变化。总结得出，激光能量分布与孔壁波动和蒸气波动关系密切，影响着熔池孔壁及小孔状态。最后，在万瓦级激光焊接试验中，采用高速相机拍摄观察了表面熔池的流动状态，并借助X射线成像设备观察了内部熔池的流动状态，研究了焊接参数与熔池流动状态和焊缝成形的对应关系，分析了影响熔池流动的因素。结果显示，金属熔液在表面聚集可形成钉头焊缝，金属熔液在焊缝内部聚集可使得焊缝内部某处尺寸增加。激光功率的增加和焊接速度的减小，可使得孔内材料气化加剧、由孔内流出的金属熔液增多。离焦量的变化可改变表面熔池和内部熔池的流动状态。正离焦、0离焦和负离焦分别对应三种不同熔池流动状态。分析得出，离焦量变化改变了小孔内激光能量密度分布，改变了孔内金属蒸气流动状态，最终导致熔池流动状态的变化。最后总结得出，孔内激光能量的分布特征和小孔内蒸气流动状态是影响熔池流动的重要因素。