高强钢以其强度大、延韧性高和加工性能好等优势,已广泛应用到海洋工程装备中。例如,高强钢在自升式钻井平台应用比例已达到55%～60%。同时,激光焊接技术以其热输入小、变形小、深宽比大等优势,为海洋结构件制造提供了新技术手段。然而,激光焊接过程极快加热/冷却行为必然引起焊缝区域温度分布和力学特性不可忽略的变化,常用热源模型难以准确反映焊缝区复杂温度分布状况;微观组织相变诱发内部晶粒挤压而产生高塑性状态,析出颗粒与位错之间的穿过或剪切机制改变了微观组织抗屈服能力。为此,本文围绕高强钢激光焊接过程热-弹-塑性行为机理及焊缝力学性能开展了相关研究工作,主要研究内容包括以下四个方面:针对激光焊接熔透情况下热源模型精度低的问题,建立了一种考虑焊缝实际形貌的峰值指数递增-双锥体热源模型。假设焊缝腰部位置平面上的热流峰值为常数,热源中心沿焊件厚度方向峰值热流密度呈指数递增热流,推导出了峰值指数递增-双锥体热源模型;结合焊缝形貌尺寸,设计了热源模型几何参数和调节参数的选取方法;分析了固/液熔合潜热等效比热模型,构建了焊接温度场有限元求解数学模型,并研制了温度场参数化求解程序。针对焊接过程微观组织形核和长大问题,建立了基于相变热力学理论的固态相变模型。奥氏体化和扩散型相变是一个可逆过程,但形核和长大速度有所区别,借助Johnson MehlAvrami Kolmogorov(JMAK)理论,推导出了奥氏体化及扩散型相变数学模型;贝氏体相变是由单相(γ)转化为两相(α和碳化物),涉及碳原子的扩散,建立了贝氏体相变模型;根据Koistinen和Marburger研究工作,构建了马氏体相变模型;推导出了该四种固态相变模型显式离散化算法,研究了温度、时间及冷却率等条件对相变体积分数的影响规律。针对固态相变和析出强化行为对高强钢激光焊接热力学行为影响问题,建立了考虑固态相变与析出强化的热-弹-塑性有限元模型。分析焊接过程热-弹-塑性平衡过程,推导出应力-应变数学关系;建立了基于组成相及相体积分数的物性参数求解方法,分别构建了单元体积膨胀、马氏体切变及其诱发塑性应变所引起的应变增量数学模型;基于Ashby-Orowan弥散强化理论,建立了屈服强度增量模型;开发了考虑固态相变和析出强化的热-弹-塑性有限元求解程序。完成了高强钢EH36激光焊接试验数据提取,研究焊缝力学性能,验证了模型正确性。研究了多工艺参数(焊接功率、离焦量、焊接速度)对焊缝形貌、力学性能(硬度、抗拉强度、残余应力)等的影响规律,反映了实际焊接状态,获取了焊接形貌、相组分分布、应力场等模型验证数据;首次通过APDL和UPFs协同方法耦合固态相变和析出强化行为,实现了热-弹-塑性有限元分析,基于温度场结果的焊缝形貌平均误差为11.17%,相体积分数最大误差为4.51%,残余应力模拟结果与试验结果有很好一致性,并分析了固态相变和析出强化行为对残余应力及塑性应变的影响规律。