小功率脉冲激光-电弧复合热源具有焊接能耗低、焊接质量好以及焊接效率高等特点,具有广阔的应用前景和巨大的应用潜力,是焊接领域研究的热点之一。小功率脉冲激光-电弧复合热源优异的焊接特性来源于激光和电弧等离子体之间的协同和相互增强效应。对焊接过程中激光和电弧等离子体相互作用的物理机制和物理过程的研究有利于促进小功率脉冲激光-电弧复合热源焊接技术的进一步发展。本论文以小功率脉冲式激光-电弧复合热源焊接镁合金过程为研究对象,以激光在材料表面形成的“匙孔”为切入点,研究电弧等离子体与“匙孔”等离子体相互作用过程中的粒子质量迁移和能量传递过程,通过不同参数下复合热源熔化能力、等离子体行为和放电状态、等离子体中原子迁移行为以及“匙孔”动态行为的综合研究,揭示“匙孔”等离子体在激光与电弧能量耦合过程中的作用机制,并最终将研究结果应用于复合热源镁合金薄板高速焊接工艺,以明确相关机制在不同条件下的适用性。本文主要研究内容和结论如下：(1)小功率脉冲激光与电弧相互作用的增强现象研究。本部分综合考察了复合热源对材料作用的效果、等离子体的行为和放电状态、等离子体的光谱信息,研究了小功率脉冲激光对电弧等离子体的增强现象。结果表明：激光对电弧等离子体的增强效应发生在激光-材料-电弧等离子体三者之间的相互作用过程中；在相同的热输入条件下,热源间距对复合热源熔化能力影响很大；焊接参数、复合热源状态以及焊接现象间存在联动关系,不同参数条件下,在复合热源熔化深度最大时,等离子体均呈现复合型形态、等离子体中镁原子谱线强度升高,同时电子温度降低、电子密度升高。(2)小功率脉冲激光与电弧相互作用的延迟现象研究。通过考察激光脉冲作用时电弧等离子体中镁原子的迁移行为和“匙孔”的闭合行为,研究了小功率脉冲激光与TIG电弧相互作用的延迟现象。结果表明：激光脉冲作用消失后,电弧等离子体中镁原子和氩原子浓度不能立刻恢复至激光脉冲作用之前的状态,而是存在数毫秒的延迟,电弧状态的延迟恢复是“匙孔”等离子体对电弧等离子体持续供给镁原子的结果；电弧等离子体与“匙孔”等离子体之间的相互作用对“匙孔”出口形态和闭合时间产生较大影响,激光脉冲作用消失后“匙孔”未立刻闭合,相同条件下电弧电流越小,“匙孔”出口形态越规则,闭合所需时间越长。(3)小功率脉冲激光诱导增强电弧等离子体放电的物理机制和物理过程。①根据实验现象和理论分析,提出了小功率脉冲激光诱导增强电弧等离子体放电的物理机制：小功率脉冲激光诱导增强电弧等离子体放电的本质在于激光脉冲形成的“匙孔”等离子体与电弧等离子体之间的耦合放电。耦合放电发生时,“匙孔”等离子体与电弧等离子体连接,并与电弧等离子体形成复合放电等离子体,“匙孔”等离子体和电弧等离子体之间存在粒子质量的交换和能量的传递；耦合放电具有延迟特性。②根据实验结果建立了复合热源主要参数之间、参数与耦合放电之间的数学关系模型,并提出了实现电弧等离子体和“匙孔”等离子体之间耦合放电的参数优化判据和优化方法,即通过激光功率、电弧电流以及焊接速度确定激光和电弧相互耦合的最佳条件。③分析了小功率脉冲激光诱导增强电弧等离子体放电的物理过程：耦合放电发生时,“匙孔”内高温、高密度的带电粒子使处于“匙孔”内部的复合等离子体具有更高的电导率,提高了能量传输密度；“匙孔”内部的复合等离子体更接近局域热力学平衡状态,电子和重粒子之间通过碰撞传递能量的效率大幅提高；耦合放电促使“匙孔”等离子体中的带电粒子从电弧电场中获得额外能量并用于熔化材料,获得能量的数值取决于“匙孔”等离子体自身的密度和“匙孔”深度；激光脉冲作用消失后,耦合放电的延迟效应使激光对电弧等离子体的增强效果仍可持续一定时间。因此,伴随着耦合放电发生的上述物理过程改变了电弧等离子体的放电状态,提高了电弧等离子体的能量密度,以及复合热源的焊接能力和焊接效率。(4)等离子体之间耦合放电机制在镁合金高速焊接过程中的应用研究。利用激光诱导增强电弧放电的参数优化方法精确选择并调整激光功率、电弧电流和热源间距,得到最佳的激光和电弧的复合状态,开发了小功率脉冲激光+TIG电弧镁合金薄板高速对接焊技术。采用平均功率为700W的脉冲式激光与230A交流TIG电弧构建复合热源实现了6000mm/min速度下2mm厚AZ61镁合金板材的对接焊,焊接过程稳定,正、反面熔透均匀,无明显焊接变形,接头拉伸强度与母材相当。上述结果表明,小功率脉冲激光诱导增强电弧放电机制在高速焊接条件下也是适用的。