高功率光纤激光器具有体积小、质量轻、在极高功率下可以保证良好光束质量、加工柔性高和运行成本低等优点,引起了众多学者的广泛关注。但激光深熔焊接仍存在许多缺陷,如成形差、飞溅多、驼峰效应等。一般来说,激光焊接物理过程是材料将激光光能转换为热能的过程,上述焊接缺陷的产生与焊接过程中激光能量转换过程中导致材料的熔化、蒸发、熔体流动、凝固相变等现象有关。小孔是深熔焊接中激光与焊接材料相互作用、实现能量转化的主要场所。研究小孔的形貌特征对理解激光深熔焊接物理过程及优化焊接工艺具有重要意义。本文从小孔的形成过程、小孔的三维形貌以及小孔壁上的能量耦合等方面展开了研究,总结归纳了以下规律:首先,运用调控激光出光时间(毫秒量级)的方法研究小孔的形成过程,并结合“三明治”手段进行辅助验证。结果表明,小孔的形成过程极为迅速,完整的小孔形成时间为数毫秒量级。低速焊接时,小孔的形成过程包括急速增加、缓慢增加和基本稳定不变这三个阶段;高速焊接时,小孔的形成过程仅有急速增加过程。小孔的快速形成过程与焊接速度、焊接功率及离焦量等因素关系较小。而小孔的形成时间不超过激光焊接特征时间(光斑直径除以焊接速度)。焊接特征时间随焊接速度增加而减小是高速焊接时小孔仅有快速形成过程的原因。其次,基于熔池快速冷冻法进行焊接实验,对比了不同材料熔池中保留的小孔形貌特征。结果表明,热物理参数差异较大的材料均可保留深熔小孔,孔口直径明显大于光斑直径,与铜铪合金相比,低碳钢熔池中可保留小孔的激光出光时间极短,熔池凝固时间较长;铜铪合金的小孔口形貌分为蒸气压力维持区(直径在毫米量级)和激光直接作用区(直径与光斑直径相当);激光焊接低碳钢的小孔口形貌近似为圆形,其直径与铜铪合金中小孔的蒸汽压力区相当。进一步分析表明,小孔内蒸汽压力维持小孔不坍塌是低碳钢熔池中能够保留深熔小孔的主要原因;铜铪合金的快速冷冻特性则呈现了激光焊接过程中小孔口的实际形貌。最后,将熔池快速冷冻法保留下的铜铪合金小孔前壁利用超景深光学显微镜进行观测,发现小孔前壁表面存在明显的同心椭圆环的结构,其粗糙度与采用高速摄像直接观测获得三维小孔前壁上的粗糙度基本相同。随着激光焊接功率的增加,孔壁的粗糙度有明显的提升。结合两种实验手段,建立三维小孔模型并叠加不同直径的小球以表征不同粗糙度对激光吸收率的影响规律,发现随着粗糙度的增加,小孔壁对于激光的吸收率有着明显的增加,当粗糙度从0.5μm提高到的1μm时,孔壁吸收率从45%左右提升到60%以上。