随着航空航天及深海领域等战略设备的开发,厚板铝合金的焊接需求日益增大。激光焊接方法具有极强的穿透能力,但对于厚板铝合金来说气孔缺陷仍是最大的挑战和障碍。研究表明真空环境可以有效抑制激光焊接羽辉、提高焊接质量并获取超大熔深。但其焊接机理研究目前只能基于对焊缝成形及羽辉变化的角度分析,缺少真空环境下激光能量传输与材料间相互作用研究以及真空环境下匙孔、熔池稳定性机理的探索。本文以5A06铝合金为研究对象,系统研究真空度对激光焊接特性的影响规律。研究发现随着真空度的提高,焊缝熔深显著增加、气孔缺陷与羽辉被有效抑制。真空环境下所获得的激光焊缝具有更高的组织均匀性和更宽的热影响区尺寸,熔化区主要由等轴晶组成,柱状晶主要存在于焊缝底部。与常规激光焊接相比,焊接接头平均硬度和抗拉强度分别提高了8.0%和20.7%。其强化机理是由于在真空环境下接头气孔缺陷被抑制并且焊缝具有组织均匀性高、合金元素烧损少以及具有更多的LAGBs和位错等因素。整体考虑焊缝形貌、缺陷以及羽辉状态可以发现真空度对焊接特性的影响存在临界值101 Pa。当真空度高于该值后焊接特性基本不变,且该临界值的选取具有普遍适用性。在101 Pa的真空度下研究了30 k W超高功率激光焊接特性,获取了单道104 mm厚及双面130 mm厚铝合金高质量焊缝。真空度对激光焊接特性的改善原因主要体现在羽辉特征以及匙孔熔池动态行为上。对羽辉特征影响的研究发现,在真空环境下羽辉尺寸及亮度显著降低且呈现更高的稳定性。羽辉的温度和电子密度随着真空度的提高而降低,这是真空环境下粒子碰撞概率大幅度下降导致。通过质谱检测发现羽辉中存在大量的化合物Al H以及Al H2等分子,其中H元素的来源于材料吸氢而不是环境。羽辉对激光能量传输的吸收体现在逆韧致吸收、散射吸收和其他吸收等方式,大气环境下逆韧致吸收占主导作用但随着真空度的提高其他吸收机制将占主导作用。这种其他吸收机制很可能来源于羽辉中的化合物Al H以及Al H2等分子对激光能量传输的消光作用。当真空度提高至103 Pa以上时,羽辉对激光能量的传输几乎无影响。为研究真空度对激光焊接过程匙孔和熔池动态行为,本文建立了一种三维热源耦合模型。该模型综合考虑真空度对焊接特性的影响因素,并利用Wilson方程和气-液平衡方程重新计算了不同真空度下材料沸点和金属蒸气反作用力。模型采用复合热源耦合形式来描述不同真空度下激光能量分布情况。模拟结果表明,真空环境下激光焊接可以获得一个稳定性更高的匙孔,匙孔的尺寸更大且具有较少的凸起现象。随着真空度的提高,熔池内部的涡流现象逐渐变弱甚至消失,匙孔附近熔体流速加快。在真空环境下材料沸点与熔点的温差减小导致匙孔内壁尺寸变薄,并且焊接过程中产生的较大的金属蒸气反作用力有利于维持匙孔张开状态,这些有利于提高匙孔、熔池稳定性从而降低焊接气孔缺陷。通过与实际焊接结果及高速摄像拍摄结果对比分析发现该模型具有良好的适用性。通过上述对真空环境下激光焊接特性、羽辉特征及匙孔、熔池动态行为的研究,建立了较为系统的真空激光焊接过程研究体系。本文的工作为大厚度结构件的激光焊接应用提供了重要的理论依据和试验基础,同时也为真空激光焊接过程相关机理研究进行补充。