高功率光纤激光以其功率高、光束质量好、运行成本低和加工柔韧性高等综合优势,吸引了全球焊接领域中众多学者的广泛关注。近年来,研究发现高功率光纤激光焊接中极易产生熔深波动、飞溅、驼峰等焊接缺陷,这些焊接缺陷与深熔小孔的特性行为密切相关。为了全面认识高功率光纤激光深熔焊接小孔的特性行为,揭示上述缺陷的形成过程,本文对小孔形貌的波动特征及影响因素、小孔口的波动特征、光束与小孔壁的相互作用过程及孔内激光能量耦合方式等方面对其进行了研究。焊接过程中小孔的形貌是瞬态变化的,激光的功率密度和作用时间(焊接特征时间)均对小孔的形态有着显著影响。孔内羽辉亮度明显强于孔外羽辉。小孔前壁上的白色发光体亮度明显高于小孔后壁上的白色发光体;小孔前壁气液界面并非平滑的直线,在前壁上白色发光体的下方存在一定凹陷;该凹陷和白色发光体存在同时沿小孔向下的周期性运动趋势。小孔前壁的微小波动与小孔的动态行为间存在紧密联系。低焊速时,小孔口喷发飞溅沿焊接方向;高焊速时,小孔口喷发飞溅沿焊接负方向。焊接中激光束直接作用于小孔前壁,前壁上的白色发光体实际为光斑中心作用区的强蒸发蒸气发光,以0.3~0.8 ms的周期沿光束方向向下作周期性运动。这种周期性向下运动过程实际为激光束与小孔前壁相互作用的动态过程。该蒸气产生的反冲压力作用于前壁,使其(白光底部)略微向焊接方向凹陷。该位置处小孔前壁存在水滴状的熔化厚度。焊接中小孔的形成过程为激光光斑中心在小孔前壁上的周期性打孔过程,打孔方向沿光束方向,打孔周期在0.3~0.8 ms之间。孔壁上的蒸发蒸气特征揭示了高功率光纤激光焊接中,孔内激光能量的耦合方式为多次反射吸收,但决定焊接熔深的是小孔前壁对入射激光一次吸收所致的打孔行为。基于激光焊接“三明治”模型及配置衰减片的高速摄像观察光斑中心致强蒸发蒸气的实验方法,以该强蒸发蒸气为媒介,可间接获得高功率光纤激光焊接中激光束与孔壁的相互作用过程。小孔口处的动态行为(驼峰/飞溅的形成)与小孔前壁倾斜角及羽辉喷发的变化过程密切相关。初步分析认为小孔的波动与小孔前壁的波动有关,而前壁的波动是由入射激光在前壁上的吸收率在布儒斯特角附近变化所决定的。驼峰/飞溅与小孔前壁一次吸收所致蒸发蒸气冲击小孔后壁有关,并且其变化的主要原因是前壁与激光相互作用时的波动(吸收率随入射角的变化)。当激光束在小孔前壁上的入射角接近布儒斯特角时,材料对激光的吸收率达到最大,前壁蒸发蒸气对后壁的推力最大,故而形成了驼峰/飞溅。即小孔口驼峰/飞溅的形成与光束在前壁上的入射角接近布儒斯特角是对应的。