厚板焊接是轨道交通、船舶海洋及航空航天等领域高服役性能大型装备制造过程中的关键技术,其焊接质量直接决定了装备的服役性能和寿命。传统电弧焊接方法由于坡口面积大、焊接速度慢、单道焊缝熔深浅导致其存在焊接效率低、线能量高、变形及残余应力大等问题,难以满足越来越严苛的制造与服役要求。激光焊接技术由于在效率及质量等方面具有独特优势,成为了近年来厚板焊接领域的重要研究方向之一。本文面向轨道交通、船舶海洋及航空航天等行业大型装备焊接制造的实际需求,以20mm厚低合金高强钢对接接头和T型接头为主要研究对象,将激光自熔打底焊接技术与窄间隙激光-电弧复合焊接技术相结合,开展厚板焊接工艺、成形、组织、应力及性能等方面的系列研究,为激光焊接技术在厚板焊接领域中的推广应用提供理论基础和工程经验。全文主要结论如下:(1)通过窄间隙条件下的激光自熔打底焊接工艺研究发现,坡口间隙会对金属蒸汽动态行为和打底焊缝成形产生重要影响,在合适的间隙条件下,焊接工艺与钝边厚度的良好匹配是获得良好焊缝成形的必要条件,在此基础上,提出了厚板窄间隙激光自熔打底焊接的工艺窗口。(2)通过窄间隙激光-电弧复合焊接工艺研究发现,激光功率、焊接电流、光丝间距及焊接速度是影响窄间隙坡口条件下电弧动态行为的主要因素,窄间隙条件下的电弧偏摆和攀升等失稳现象与焊丝端部熔融金属的不稳定动态行为密切相关,电弧失稳使得坡口侧壁受热不均是导致窄间隙未熔合缺陷形成的根本原因,在此基础上,提出了厚板窄间隙激光-电弧复合焊接的工艺窗口。(3)通过对叠层焊接接头微观组织与残余应力的分析并结合数值模拟发现,不均匀的多重热循环作用是导致叠层焊接接头在沿焊缝厚度方向上产生微观组织与残余应力不均匀性的主要原因,焊缝各层微观组织与残余应力不均匀性的产生与各层焊接工艺之间存在的差异有关,焊缝层间微观组织与残余应力不均匀性的产生与上层焊缝对下层焊缝的重熔及热处理作用有关。此外,相组成复杂、相变发生温度低、相变温度区间宽的材料具有更大的微观组织与残余应力不均匀性形成倾向。(4)通过对厚板叠层焊接接头性能的研究发现,焊缝厚度方向上存在的微观组织与残余应力不均匀性导致接头不同位置的性能具有明显差异。不均匀相成分和晶粒尺寸导致从下层到上层焊缝的显微硬度和抗拉性能整体呈下降趋势,且显微硬度会在层间区域产生剧烈波动。下层焊缝的细小微观组织增加了裂纹扩展的难度,使其具有比上层焊缝更好的疲劳性能,而层间不均匀的微观组织和残余应力造成不同位置焊缝的受力与变形不均匀,形成大量二次裂纹,导致层间焊缝的疲劳性能弱于焊缝其他位置。层间区域不均匀的微观组织导致微型原电池反应的形成,加快了电化学腐蚀过程,同时焊缝层间区域残余应力的梯度分布又会诱导电化学腐蚀反应的不断深入,进一步削弱了层间区域的抗腐蚀性能,导致焊缝层间抗腐蚀性能弱于焊缝其他位置。(5)通过外加层间感应预热的工艺方法有效调控了叠层焊接过程中的层间热循环,改善了叠层焊缝微观组织不均匀性,减小了显微硬度在焊缝层间区域的波动,提高了叠层焊缝层间区域的疲劳性能,增强了叠层焊缝层间区域的抗腐蚀性能。