激光焊接技术作为一种先进的连接技术,具有热影响区小、残余变形小、连接精度高和加工柔性好等优点,目前已被应用于航空航天、汽车与船舶制造等领域。一直以来,激光焊接被分为两种焊接模式:传导焊和深熔焊（小孔模式）。前者焊缝宽且浅,焊接过程稳定,焊缝质量高;后者输入能量密度大,焊缝深宽比大,焊接效率高。最新研究表明激光焊接从传导模式焊接向小孔模式焊接不是一个突变的过程,中间存在一个过渡区。不同焊接模式下的热、流行为会影响温度场分布和熔池形貌,进而影响焊缝组织、焊接质量和焊件机械性能。深入研究焊接过程从热传导模式到小孔模式的过渡对于全面理解、完善和发展激光焊接技术至关重要。激光焊接过程中产生的辐射信号是激光与物质相互作用的中心环节,能够反映焊接过程能量传递机制。辐射信号主要包括热辐射和等离子体辐射。基于光学诊断方法研究激光焊接不同模式的焊接特性,这对于揭示激光焊接机理,认识激光深熔焊接等离子体的物理特性具有十分重要的意义。本文首先采用红外热像仪和高速相机,直接观测了激光焊接316L不锈钢过程中不同焊接模式下的温度场演变和液体流动行为。研究了不同焊接模式下传热机制和熔池动态演变特征。根据熔池中的能量传递机制,激光焊接模式可以分为传导模式,过渡模式和小孔模式。在传导模式中,热量传递主要是以热传导方式进行,熔池表现稳定。在过渡模式中,在Marangoni力驱动下,热量和熔体沿熔池的径向由里往外传递,进而影响熔池的表面形状。小孔模式下的热量和熔体流动特征由反冲压力决定,反冲压力推动熔融金属液体在熔深方向往小孔后部流动。熔池中的传热和熔体流动决定了最终的熔池边界形状,进而影响焊缝表面波纹形状和焊缝晶粒的生长方向。进一步,采用同轴布置高温计的探测方法,建立了不同焊接模式下焊缝特征与同轴温度信号的联系。在三种焊接模式下,同轴红外温度信号与焊缝熔宽都有较好的线性关系。在传导焊模式和小孔焊模式下,同轴红外温度信号与焊缝熔深成线性关系;而在过渡模式下,同轴红外温度信号对焊缝熔深不敏感。因此,同轴红外温度信号可用于识别焊接模式。此外,同轴红外温度信号能够有效识别焊接过程的驼峰缺陷,但对焊缝内部气孔缺陷敏感度低。激光诱导等离子体是小孔模式焊接的中心环节,对焊接效率和焊接质量有着重要影响。采用发射光谱方法对激光焊接等离子体强度、等离子体电子（激发）温度和等离子体电子密度进行计算和分析。研究了不同激光能量输入下,等离子体特征在空间上的演变规律。定量分析了等离子体对激光能量的吸收。结果表明:光纤激光小孔模式焊接孔外等离子体电子温度范围为5300⁵600 K,电子密度范围为3×10¹⁶⁴×10¹⁶ cm^-3。等离子体电子温度在高度方向上的变化趋势为先增加后减小,等离子体最高电子温度区在距材料表面一定高度,且该高度随着激光功率的增加而降低。与等离子体电子温度空间分布特征不一样,等离子体电子密度在高度方向5 mm以内分布均匀,然后随着高度的增加而迅速降低。在低功率下（从700 W到1100 W）,逆韧致吸收是激光与等离子的主要作用机制;继续增加激光功率,焊接过程中产生的羽辉颗粒吸收和散射效应是激光能量的主要耗散机制。最后,基于“三明治”方法和条纹成像法,研究了连续光纤激光深熔焊接304不锈钢的孔内特征,包括小孔形成,孔内液体流动速度,孔内辐射特征和孔内温度及分布。小孔焊接模式下,孔内高温金属熔体向下流动速度范围为:6¹3 m/s,且越靠近小孔前壁流动速度越大。连续光纤激光深熔焊接等离子体产生于小孔外,且焊接过程中始终维持在孔外,孔内为高温金属蒸气。首次测量到连续光纤激光深熔焊接孔内温度,其最高值高于材料蒸发温度约200 K,且小孔中部温度要低于小孔顶部和小孔底部温度。