激光焊接以高能流密度的激光束作为加热热源,可极大地提升焊接精度及效率。随着新型大功率激光器的研发及应用,进一步推动激光焊接在航空航天、核电、汽车等工业领域的广泛应用,激光焊接质量优化控制的重要性正变得日益突出。实际应用中,常规连续激光焊接方法存在着焊缝成形控制难度大,易产生气孔缺陷,激光热源加热熔化区域小而不适于熔合宽度较大的焊缝等问题,显著影响激光焊接质量。激光焊接质量优化可通过选择合适的激光光斑尺寸及模式、光斑轮廓形状整形、双光束焊接等静态调控方法,还可采用脉冲激光及摆动激光等动态调控方法。目前关于脉冲/摆动激光调控方式的研究并不系统,相应的焊接质量优化机制仍不明确。本文主要对脉冲/摆动激光焊接过程中激光能量分布规律、焊缝成形与气孔缺陷、以及熔池熔化特性等开展系统的研究,进一步在激光能量分布调控的基础上进行了窄间隙激光焊接质量优化研究。首先研究了脉冲激光调控方式中主要脉冲参数对激光能量分布规律的影响,并对比分析不同脉冲焊接条件对熔化特性及焊接质量的影响。脉冲调控方式能从一个维度上改变激光能量分布形式,可通过改变脉冲频率与占空比产生多种不同的激光能量分布形式。随着脉冲频率的增加,激光能量分布形式可分为脉冲能量完全分离、非均匀叠加及均匀叠加三种分布形式。存在着一个临界脉冲频率Cf可保证焊接路径上激光能量分布形式是均匀连续的;临界脉冲频率大小与焊接速度成正比,与光斑半径成反比,且与脉冲占空比无关。与连续激光焊接相比,脉冲激光焊接方法显著改善焊缝成形及内部无气孔缺陷,提高焊缝的力学性能;高速摄像观察分析可知脉冲激光冲击作用能使熔池内金属熔液产生纵向的周期性流动特征,有利于熔池内金属熔液向匙孔回流填充,显著降低了气孔缺陷的产生,当脉冲频率大于30Hz时GH3535合金焊缝内部气孔率可维持在0.24%以下。其次,研究了摆动激光调控方式中主要摆动参数对激光能量分布规律的影响,并对比分析不同摆动焊接条件对熔化特性及焊接质量的影响。摆动调控方式可从两个维度上改变激光能量分布形式,可通过采用不同的摆动轨迹、摆动频率与幅度改变激光光斑实际运动速度,从而影响着焊接过程中激光能量分布形式。同样地,存在一个临界摆动频率CF可保证焊接路径上激光能量分布形式是均匀连续的;临界摆动频率大小与焊接速度成正比,与光斑半径成反比,且与摆动幅度无关。当频率小于临界摆动频率时能量分布中能流密度最大值会随着摆动频率增加而减小,达到临界摆动频率之后能流密度大小将会保持不变,此时不同摆动幅度均会对应着一个确定不变的能量分布形式,随着摆动幅度的增加,能量分布中能流密度最大值会持续减小。随着摆动幅度的增加,Invar合金焊缝气孔缺陷的数量及尺寸均显著减小,且摆动幅度大于4.0mm时接近于无气孔缺陷,从而有利于提高摆动焊缝力学性能,Invar合金焊缝抗拉强度从连续焊缝的361MPa增加到摆动焊缝的398MPa,而最大应变率从25%增加到48%;同时焊缝微观组织逐渐从定向枝晶向等轴晶形态转变,摆动幅度为2.0mm、4.0mm和6.0mm时晶粒结构尺寸分别细化了38.0%、50.1%和54.6%。再次,详细研究了摆动激光焊接过程中熔池温度场分布特征及熔池流动特性。基于摆动激光调控方式中均匀连续的激光能量分布规律分别建立了适于不同摆动幅度的等效热源模型,模拟计算发现熔池内横向温度梯度随摆动幅度的增加而逐渐降低,且可使熔池中心局部区域金属熔液具有相同的温度,甚至呈现出负的温度梯度。结合高速摄像观测分析,激光光斑局部快速移动可使匙孔表面形态更为稳定,无明显的波动及飞溅现象产生;随着摆动频率及摆动幅度的增加,激光束对熔池内金属熔液强制对流作用逐渐增强,使得熔池内横向周期性流动特征越加明显,利于焊缝内部气孔缺陷的抑制及元素分布均匀性的提高。最后,开展了基于能量分布调控的窄间隙激光焊接质量优化研究。根据窄间隙坡口形式及焊缝质量要求,在摆动激光能量分布规律研究基础上,通过采用局部插值方法精确调控激光输出功率,对激光能量分布进行优化设计,从而获得最适于窄间隙焊接的均匀激光能量分布形式,显著提高坡口内焊接热输入分布及焊缝成形的均匀性。结合高速摄像观察分析发现摆动激光对填充焊丝动态加热过程改变了焊丝熔化过渡行为,利于产生“小滴”、“大滴”、“液桥”等多种过渡形式,可保证摆动激光填充焊接过程的稳定性。采用优化后摆动激光填充焊接工艺实现了19.5mm厚Invar合金窄间隙多层填充焊接,获得了成形均匀、组织细小、无明显缺陷的焊缝,焊缝质量及力学性能满足使用要求。