铝合金以其比强度高、密度低等特性被广泛应用于汽车、高速列车、飞机等领域。激光焊接因热输入小、残余应力低和焊接速度快等优势在铝合金焊接中受到重视。然而,铝合金具有激光反射率高、热膨胀系数大、液相表面张力低等特殊的物理化学特性,其激光焊接易出现气孔、成形差等问题,降低了接头的力学性能,在工业中的应用受到限制。同时,磁场辅助焊接技术在抑制缺陷、改善焊缝形貌及组织等方面效果显著,在铝合金激光焊接中应用潜力很大。磁场辅助铝合金激光焊接过程中,磁场与熔池的作用过程极其复杂,现有研究多侧重于利用磁场抑制缺陷及改善焊缝性能,关于磁场对焊缝形貌及组织影响机制的研究较少,磁场对熔池流动和凝固行为的影响尚不十分清楚。因此,本文从熔池流动和凝固行为的角度出发,围绕磁场对铝合金激光焊接焊缝形貌和组织的影响机制开展了较为深入的实验和数值模拟研究,主要研究工作如下:(1)搭建了磁场辅助激光焊接实验平台,研究了关键工艺参数(激光功率、焊接速度和磁感应强度)对焊缝横截面形貌、组织和力学性能的影响。研究表明:磁场能够减小熔宽、增加熔深和腰宽,其中,腰宽受磁场的影响最为显著;磁场能够明显改变焊缝柱状晶组织形貌和过渡区宽度;在合适的工艺条件下,磁场能使焊缝的抗拉强度明显提升。(2)通过考虑液态金属在磁场作用下产生的洛伦兹力,同时考虑气液自由界面波动,采用了光束能量分布随小孔深度实时变化的热源模型,建立了磁场辅助铝合金激光焊接熔池流动模型;通过考虑枝晶固液界面的热电流、热电磁力及其引起的热电磁流动,同时耦合热电磁流动与枝晶生长过程,提出了基于相场法同时考虑热电流和磁场作用的耦合模型,建立了描述磁场作用下铝合金激光焊接熔池凝固的数值模型。(3)针对磁场对铝合金激光焊缝横截面形貌的影响,主要从磁场对熔池流动行为影响的角度出发,模拟了磁场作用下熔池中动生电流密度、洛伦兹力和流场分布。研究表明:电流密度方向垂直于磁场方向和液体流动方向,洛伦兹力与液体流动方向相反;随着磁感应强度增加,熔池流动速度明显减小;在熔池上表面,从熔池中心向边缘的流动速度减小,这使得熔池中心向边缘的对流传热减小,使熔宽减小;同时,小孔壁面附近的液体向上的流动速度减小,使得熔池下部向上部的对流传热减少,下部热量积累,使熔深和腰宽增加,从而使焊缝形貌由酒杯状向“V”形转变。仿真结果与实验结果吻合较好。(4)针对磁场对铝合金激光焊接熔池凝固组织的影响,主要从热电磁流动对熔池凝固行为影响的角度出发,模拟了枝晶固液界面附近热电流、热电磁力和热电磁流动的分布特征,发现界面附近热电流较大,随着离固液界面距离增加,热电流密度急剧减小;磁场与热电流作用产生的热电磁力在界面附近较大,随着离固液界面距离增加,热电磁力急剧减小;热电磁力可以使枝晶固液界面处液相流动速度达到几毫米每秒,进而影响溶质分布,改变枝晶形貌;磁场能够使熔合线附近的柱状晶产生较多分支,减少溶质偏析。仿真结果与实验结果吻合较好。