厚板焊接是航空航天、能源动力、海洋装备等高端制造业发展的关键技术之一,激光-电弧复合焊接,因在叠层焊接过程中难以保障复合等离子体稳定性,导致侧壁及层间未熔合缺陷多发。在激光-电弧复合焊接中加入外加磁场,有助于精准控制复合等离子体形态,进而保障焊接过程稳定性,是一种新型的多能场复合焊接技术,具有广阔的发展潜力。然而,激光、电弧、磁场三种能场作用下,复合等离子体行为非常复杂,通过传统的实验方法难以揭示焊接过程本质。因而,构建激光、电弧、磁场复合焊接中的等离子体数值分析模型,探究复合焊接作用下的等离子体行为及其物理特性,对于研究复合焊接的协同作用机制、提高焊缝成形质量具有十分重要的意义。本文通过数值模拟和实验验证相结合的方法,研究了磁控斜电极MIG焊接、激光-MIG复合焊接以及激光-MIG-磁场复合焊接中的等离子体行为及特性。主要内容如下:(1)研究分析了与等离子体行为模拟分析相关的理论基础。搭建了集成高速摄像系统和光谱分析系统的复合焊接实验平台,可实现磁控MIG焊接、激光-MIG复合焊接及激光-MIG-磁场复合焊接过程中等离子体行为的实验观测。(2)针对磁控斜电极MIG焊中的电弧等离子体行为,采用“局部热平衡-扩散近似法”处理电极鞘层,建立了磁控斜电极MIG焊电弧等离子体数值分析模型,研究了纵向磁场大小及纵向磁场方向对电弧的影响。采用高速摄像拍摄的电弧形貌及最终的焊缝成形对模拟结果进行了验证,模拟结果与实验结果一致。发现了磁控斜电极MIG焊中的电弧有限铺展(磁场为-16mT时铺展最大)及电弧横向偏摆现象,并阐述了相应的作用机制。(3)针对激光前置引导电弧条件下的复合等离子体特性,耦合考虑匙孔中高速喷发的金属蒸汽的作用,采用粘度近似法处理金属蒸汽质量分数方程中的扩散项系数,建立了激光-MIG旁轴复合焊接中的复合等离子体数值分析模型,分析了金属蒸汽喷发参数、焊接电流、光丝间距及物性参数对复合等离子体特性的影响。模拟获得的复合等离子体形貌和温度与高速摄像及光谱分析实验结果吻合良好。研究发现:金属蒸汽能够显著降低其作用区域内的等离子体温度(蒸汽喷发处的温度降可达5000K),从而降低对母材的局部热输入(由约1.0E7W/m~2减小到约5.0E5W/m~2);金属蒸汽喷发处的电流密度增加(由约5.5E6A/m~2增加到8.0E6A/m~2),能够使焊接过程中的电弧更加稳定;在合适的工艺参数范围内,激光对小电流的稳弧作用比较显著,且激光的稳弧能力随激光功率增加而增强。(4)针对激光-MIG-磁场复合焊接中的复合等离子体特性,在金属蒸汽质量分数方程中采用与摩尔分数梯度、压力梯度、电场及温度梯度相关的组合扩散系数,建立了复合等离子体数值分析模型,首次实现了激光-MIG-磁场复合焊接中复合等离子体行为的数值仿真,仿真结果与实验结果吻合良好。分析了纵向磁场、焊接电流及光丝间距对复合等离子体特性的影响。研究发现:当纵向磁场为-16mT时,等离子体在熔宽方向铺展最大;当纵向磁场为-24mT时,等离子体在焊接方向铺展最大;恒定纵向磁场使复合等离子体在熔宽方向出现不对称现象从而造成焊缝不对称;当光丝间距大于3mm时,激光的稳弧作用减弱,最优光丝间距为2mm;在合适的工艺参数下,激光-MIG-磁场复合焊接能够增强等离子体的下部铺展程度从而有利于提高焊接的桥接性能,能够增加工件表面等离子体的旋转速度从而有利于增强对熔池的搅拌作用,能够降低电弧等离子体的温度从而减小对母材的局部热输入,能够增加金属蒸汽喷发处的电流密度从而使焊接过程更加稳定。