窄间隙激光焊接技术在我国舰船船体厚板结构的低变形焊接制造中具有独特的优势,该技术通过减小坡口尺寸和填充金属,可以在提高焊接生产效率的同时大幅度降低焊接热输入,从而降低焊件残余应力和减小焊接变形。相比于常规窄间隙激光焊接易出现侧壁未熔合缺陷,窄间隙摆动激光焊接中激光热源摆动可以有效加热侧壁,有效防止侧壁未熔合缺陷。然而,目前仍缺乏摆动激光对侧壁熔合的影响机理、多层焊接温度场以及应力应变场演变行为等定量基础研究,尚不能对摆动激光焊接技术在舰船船体厚板结构制造中工艺制定和性能优化提供基础数据支撑。基于此,本文在摆动激光焊接工艺试验的基础上,建立了适用于高强钢窄间隙摆动激光焊接过程的热-弹-塑性有限元数理模型,通过分析摆动参数对侧壁温度场和侧壁熔深的影响规律,揭示对坡口侧壁熔合的影响机理,通过数值分析30 mm厚钢板窄间隙摆动激光焊接温度场和应力应变场,揭示接头应力演变及残余应力分布规律。基于摆动激光焊接物理过程和结构非线性综合考虑,采用生死单元法模拟焊缝生成,针对激光自熔打底焊接建立了高斯面热源+衰减高斯体热源的组合热源,针对激光填丝焊接建立了节点激活温度+衰减高斯体热源的组合热源,利用局部坐标系实现摆动激光热源的加载,建立厚板窄间隙摆动激光焊接过程有限元数值分析模型。为进一步提高计算效率,基于能量守恒定律,通过分析激光摆动的特点推导出模拟激光摆动的准高斯面热源和准衰减高斯圆柱体热源两个等效热源模型。采用热-力顺序耦合的方法计算了窄间隙摆动激光焊接温度场和应力应变场,并通过热循环曲线、熔合线准则和盲孔法验证模型的准确性,验证结果表明所建立的模型是准确、可靠的,可以用于厚板窄间隙摆动激光焊接热过程和应力应变场的数值分析。数值分析了摆动激光对30 mm厚高强钢单道窄间隙填丝焊接温度场的影响规律。结果表明,焊缝中心和侧壁处被多次加热,出现多峰热循环特征,峰值温度出现的频率等于激光摆动频率,焊缝横截面温度场在一个摆动周期内经历了不对称-对称-不对称的形态变化。在0-1.5 mm摆动幅度范围内,随着摆动幅度增大,侧壁处峰值温度由1857℃升高到2115℃,横截面底部逐渐由尖端状向圆弧状过渡,侧壁熔深从0.82 mm增大到0.96 mm,改善了横截面形貌,可有效避免侧壁未熔合缺陷的出现。在摆动频率为20 Hz-100 Hz范围内,随着激光摆动频率增大,侧壁处峰值温度由2036℃下降到1936℃,侧壁熔深从0.9 mm增大到0.94 mm。采用等效热源数值分析了 30 mm厚填丝窄间隙摆动激光焊接温度场和应力应变场。结果表明,摆动激光多道焊接过程中,第一道为全熔透,后面十道焊缝横截面相似,层间温度导致焊件的等温面逐渐扩大,焊件整体的温度呈上升趋势。焊缝节点在未激活前保持室温20℃,在激光热源的作用下,节点被激活,焊缝中心瞬时升温,热源远离后,温度急速下降,距离焊缝中心越远,峰值温度降低明显。焊件等效残余应力主要分布在近焊缝区,应力主要分布于中上部以及根部,峰值达669 MPa,在焊缝中下部等效应力数值较小,焊件边缘位置由于刚性约束导致存在应力集中,刚性约束卸载后,约束处应力集中消失。焊缝方向上的纵向残余应力和横向残余应力在焊缝中间区域出现稳定区,纵向残余应力在焊缝上表面中心和下表面中心路径的稳定区为拉应力,数值约为620 MPa和512 MPa,横向残余应力在焊缝上表面中心路径下的稳定区为压应力,数值约为100 MPa,在焊缝下表面中心路径下的稳定区为拉应力,数值约为600 MPa。焊缝根部和中上部均存在带状拉应力层。随着焊接道数的增加,坡口间隙逐渐减小,坡口间隙从焊接开始前的4.82 mm缩小到第十一道开始焊接时的3.18 mm。