铝合金薄板激光焊接技术已经逐步应用于汽车、航空航天、轨道交通等制造领域,得到了业界的青睐。铝合金激光焊接接头的服役性能与其焊缝凝固微观组织密切相关。深入理解熔池凝固过程,实现焊缝微观组织的定量预测,对优化焊接工艺、提高接头质量具有重要指导意义。然而,激光焊接熔池凝固过程是一个十分复杂的多尺度过程,涉及宏观尺度熔池传热-流动行为以及微观尺度枝晶形核-生长行为。目前,学术界对这一复杂凝固过程的认识还不是十分清楚。另一方面,由于其高温、瞬态、多尺度的特性,难以通过实验手段观测这一过程。近年来,随着计算流体力学和计算材料学（特别是相场法）的发展,通过数值模拟技术定量研究熔池凝固过程成为了可能。然而,数值模拟时面临着宏微观模型关联关系复杂、宏微观特征时间和空间尺度差异大（103数量级）、海量数据同步求解困难（～102 GB）等问题,对采用数值模拟技术研究激光焊接熔池凝固过程提出了挑战。基于此背景,本文构建了铝合金薄板激光焊接宏观传热-流动和微观枝晶形核-生长多尺度多物理模型,自主研发了针对该模型的多节点多GPU并行求解软件,对铝合金薄板激光焊接过程中的熔池传热和流动行为、凝固参数分布、凝固微观组织演化等开展了深入与系统的研究,取得的主要进展如下:（1）铝合金薄板激光焊接宏观传热-流动和微观枝晶形核-生长多尺度模型的构建与求解。针对熔池凝固过程的多尺度特点,分别建立了铝合金薄板激光焊接宏观传热和流动耦合模型以及合金凝固微观定量相场模型,确立了宏观模型和微观模型的关联关系,构建了考虑激光焊接熔池宏观传热传质行为和微观枝晶形核-生长行为的多尺度模型,并利用多节点多GPU并行加速技术对模型进行了求解。（2）分析了铝合金薄板激光焊接宏观传热和流动行为及其对凝固前沿凝固参数分布和焊缝微观组织演化的影响。研究发现焊接过程中熔池的主要传热方式为热扩散（熔池Peclet数估算为1.9）。分析三维热流分布,发现沿厚度方向热流较小,可以近似为水平截面上二维导热。定量计算了凝固参数分布,定性/半定量分析了不同焊接工艺参数下焊缝凝固形貌演变规律及微观组织尺寸,发现高功率匹配高焊速焊接工艺可缩小柱状晶区,细化枝晶组织（二次枝晶间距从4.1μm降到3.4μm）。（3）针对熔池凝固初期平面晶、胞状晶以及柱状晶生长阶段的微观组织演变开展了研究。研究发现凝固平界面失稳主要原因是凝固过程中晶体生长速率迅速增大（0.04mm/s→9.41 mm/s）,使得凝固前沿液相线温度梯度（59.14 K/mm→-98855.44K/mm）远陡于外加温度梯度（483 K/mm→336 K/mm）,导致较大的成分过冷;晶粒取向或错配角能够显著影响界面稳定性,随着错配角的增加,固液界面刚度变大,表面张力的稳定性作用增强,固液界面越来越稳定。随后研究了胞状晶向柱状晶转变过程,发现了两个重要的凝固现象,即三次枝晶生长和枝晶尖端分裂。最后对胞状晶/柱状晶的竞争生长进行了分析,揭示了晶粒间两种不同的竞争生长机理。（4）研究了铝合金薄板激光焊接全焊缝凝固微观组织的演变过程。首先通过“重叠焊接”方法证明了等轴晶形核机制主要为异质形核,发现异质核心为Al3Ti相。然后分析了熔池凝固过程中温度场和溶质场以及两者共同作用下的成分过冷场的瞬态变化,阐明了全焊缝凝固微观组织的动态演化过程。之后对全焊缝溶质元素的显微、区域和层状偏析行为进行了分析,发现不存在明显的区域偏析行为;在熔合线附近出现类似层状偏析的行为;焊缝中存在明显的显微偏析现象,且不同部位显微偏析程度不同。最后分析了最大形核密度对焊缝组织的影响,发现增加最大形核密度可以缩减柱状晶区、扩大等轴晶区、细化晶粒;当最大形核数量密度从1.0×1011 m-3增加到5.0×1011 m-3时,焊缝等轴晶平均尺寸从47.4μm降低到了26.2μm,下降了45%。（5）基于以上研究,提出了两种铝合金薄板激光焊接焊缝组织优化方法,即高功率匹配高焊速激光焊接和Ti元素添加焊接,并对其进行了工艺验证。研究发现,采用高功率匹配高焊速激光焊接工艺（但功率不应超过3000 W、速度不应超过120mm/s）可在保证焊缝成形良好的基础上,从晶粒组织（柱状晶区宽度420μm→330μm）和枝晶组织（二次枝晶间距4.1μm→3.4μm）两个层面实现焊缝凝固组织的细化,从而有利于提高焊缝硬度和接头抗拉强度。焊接时在焊缝中添加Ti元素（约为1.7 wt%）能够促进Al3Ti异质形核质点的生成,促进焊缝中等轴晶的形核生长,有利于减小焊缝柱状晶区的宽度（210μm→150μm）、促进等轴晶区晶粒的细化,有利于提高焊缝硬度和接头抗拉强度。