焊接作为制造业重要加工工艺,在机械制造、核电、航天等领域应用越来越广泛。一些关键部件的焊接接头质量稳定性和结构完整性的有效评估,一直是焊接工作者不可忽视的技术难题。焊接接头热影响区全场高温应变分布以及最后的残余应力水平严重影响焊接接头质量、焊接构件的刚度及其服役寿命。鉴于焊接过程中焊接接头在非线性热力循环作用下,焊后在焊接接头热影响区和焊缝内部会不可避免地产生残余应力与变形。采用焊前预热可有效调节焊接接头应力分布状态,而焊后接头热影响区、焊缝内部应力状态与整个焊接过程中温度履历、应变水平密切相关。精确测量及表征焊接过程焊接热影响区全场应变分布状态是控制接头应力水平及质量的有效技术途径。与传统二维数字图像相关（Digital Image Correlation,DIC）方法不同,三维DIC方法不受离面位移的影响。本文拟通过改进传统三维DIC算法以准确获得焊接接头热影响区全场高温应变分布,并进一步研究预热处理对焊接接头热影响区应变场分布及应力水平的影响规律。首先,改进了传统三维DIC的立体匹配策略和全场计算策略,提出了适用于焊接过程中的基于相似度进行组合的立体匹配策略,以及可以提升全场应变计算效率的基于相似度阈值的全局路径算法,根据三维DIC算法原理开发了适应性强、扩展方便的三维DIC应变计算软件。其次,通过模拟散斑试验讨论并分析了形函数类型的选择对于数字图像匹配误差的影响规律,给出了三维DIC自匹配过程与互匹配过程中形函数类型的选取原则。之后,开展了刚体平移实验以及单向拉伸试验,探究了三维DIC的测量误差来源,分析比较了三种立体匹配策略的计算精度,验证了相似度组合的立体匹配策略的准确性和相似度阈值的全局路径算法的计算效率。最后,针对实际焊接过程接头热影响区全场高温应变测量,搭建了基于主动视觉的焊接热影响区应变测量系统,采用辅助光源和减光-滤光系统有效抑制了电弧光干扰,基于该系统开展了304不锈钢机器人氩弧焊平板对接焊试验,采集了热影响区图像及温度场信息,进行了焊接接头热影响区高温应变计算和表征,并根据增量理论以及材料本构关系方程定量求解焊接热影响区的残余应力分布,研究了预热温度对近缝区热影响区焊接全场应变分布状态及应力水平影响规律。