为了满足更高速度水平的高速列车车体制造轻量化要求,对于铝合金中厚板结构焊接质量的提高势在必行。超窄间隙激光填丝焊接在中厚板焊接中有着巨大应用潜力。然而由于在焊接过程中引入了焊丝,导致焊接过程工艺参数之间的交互作用与焊接接头性能的关系变得尤为复杂,而且对于中厚板结构焊接所涉及到的多道热循环问题,其对接头组织演变以及性能变化的影响尚不明确。因此,本文针对20 mm中厚板铝合金超窄间隙激光填丝焊接工艺参数进行优化,分析多道热循环下接头微观组织演变规律,揭示焊缝微观结构与力学性能的关系以及焊缝性能的强化机制。本文首先设计了超窄间隙激光填丝焊接优化试验,通过中心复合设计方法建立了焊接过程工艺参数与接头综合性能之间的响应面模型,所有模型均为显著且拟合度良好。利用响应面模型分析得知在激光功率适中时,随着焊接速度和送丝速度的增加,焊缝综合性能随之增强。采用多目标优化得到了最优工艺参数为激光功率4.57 k W,焊接速度14.54 mm/s,送丝速度4.00 m/min,该参数下的焊接接头综合性能优异,其平均抗拉强度215.16 MPa,焊缝完整度98.82%,焊缝熔宽3.9456 mm。然后基于最优焊接工艺实现多道焊接,研究焊接接头在多道热循环下的组织演变规律。在第一道热循环下焊缝组织由于溶质偏析而产生带状偏析层,并且在激光焊接快冷条件下焊缝组织从液态凝固形成过饱和固溶体,仅析出少量β相。第二道热循环峰值温度高于熔点且直接作用于上一道焊缝,生成重熔区并使焊缝组织形成均匀细小晶粒,并且β相析出增加。由于第三-四道热循环峰值温度仅高于固态相变温度,α相发生长大的同时β相析出量增加并产生聚集现象。第五-九道热循环峰值温度未达到固态相变温度点,α相长大存在明显方向性,从α相中析出的β相不断聚集长大形成粗大β相。热影响区在多道热循环作用下先生成细小等轴晶粒,而后逐渐长大粗化。最后分析了多道热循环下焊缝微观结构与力学性能之间的关系,结果表明,焊缝中细小晶粒增加,大角度晶界占比增多,产生了明显的细晶强化效果,并且与固溶强化效果共同作用使焊缝力学性能提高,而后焊缝织构强度和第二相析出物含量不断增加,使焊缝抗变形能力和沉淀强化效果增强。因此,在综合作用效果下,焊缝中心平均硬度不断提高,平均抗拉强度整体提高22 MPa,焊缝的力学性能得到强化。