电子束焊接技术以其高能量密度、高熔透性、焊接变形区小、易于控制、能焊接难熔及异种金属等传统焊接方法无法替代的优点,在国防、核能、航空航天和大科学工程等重要领域发挥着重要作用。电子束焊接的熔池传热、流体流动及匙孔演变等动力学行为是决定焊缝成形质量的关键。在进行电子束焊熔池和匙孔演变的研究的过程中,数值计算是一种有效的手段,而电子束热源模型的建立是进行数值计算的基础和重要决定因素。现有的理论模型多为解析模型,虽能得到有效计算结果,但在应用热源模型时较难实现与匙孔壁面的耦合。大多数研究没有考虑金属蒸汽对电子束的影响,以及电子束与匙孔壁面的相互作用。本文在不假设热源空间作用边界的条件下,充分考虑电子束流的物理本质,基于微区电子作用建立了动态电子束热源模型,并应用于电子束焊接过程的模拟计算中。本文建立的热源模型首先针对金属蒸汽中的微区电子作用,使用蒙特卡洛方法对加速电压为60k V的电子束在不同厚度、不同密度、不同材料的气体靶材中的散射规律进行了理论计算研究,并且同时考虑弹性散射和非弹性散射。对电子束的分布半径随着气体厚度和密度的增大而发生宽化作用的程度进行了计算,并给出数学表达式,进而应用于新型热源模型当中。为了对匙孔表面的微区电子作用进行计算,以优化的电子的随机位置方法实现束流能量离散,以步进搜索式电子跟踪方法求解结合VOF自由界面,确定电子与匙孔壁的实际撞击位置,实现了热源与动态匙孔表面的耦合过程,并对电子束的能量分布及背散射引起的能量二次分布进行准确描述,计算得出了电子束动态热源模型的三维数学表达式。应用动态热源模型对厚板的深熔焊过程进行模拟计算,精确模拟出不同焊接参数下热源在2219铝合金材料中的作用深度范围,并与焊接实际过程符合度较高。深熔焊开始的前期为快速钻孔时期,液态金属快速喷射而形成飞溅;之后进入相对稳定时期,自由流动金属的体积随着焊接过程而逐渐增大,产生较少飞溅;深熔焊过程中匙孔和熔池发生快速波动,匙孔的打开与闭合决定了电子束能量在深度方向的分布,匙孔打开与闭合的驱动力是熔池后部的局部涡流和电子束集中加热区域的上下波动。电子束的总热效率主要受背散射效应的影响;在狭窄的匙孔中,电子束易在匙孔侧壁上形成大角度背散射,电子束能量在匙孔更深的区域分布。应用动态热源模型对薄板扫描横焊的熔池行为进行模拟,研究发现,半熔透熔池的驱动力主要为液态金属蒸发引发的反冲压力;全熔透熔池内的液态金属流动更加复杂,在熔池的上表面Marangoni流动占主导,表面张力与反冲压力共同作为熔池流动的驱动力;重力与焊接扫描共同作用使得熔池两侧的质量分布和流场分布不对称,进而造成了焊缝两侧熔合线的不对称。模拟得到的结果在熔深、熔宽及熔合线角度等方面较准确地再现了试验结果。