激光焊接技术作为激光制造技术的重要组成部分,具有高质量、小变形、高精度、高效率和高速度等优点。目前,TC31高温钛合金由于其突出的常温和高温性能优势在航空航天领域得到越来越多的关注。随着新一代航空航天产品的发展,关键结构件焊接接头性能要求也越来越高。然而,传统连续激光焊接方法会导致TC31高温钛合金焊缝氧化严重,并且传统连续激光焊接工艺对于航天复合曲面构件的装配间隙适应性较差,影响接头力学性能。因此亟待对TC31高温钛合金激光焊接方法进行优化。TC31高温钛合金激光焊接工艺与接头性能的研究对于夯实高温钛合金激光焊接的理论基础、提高TC31高温钛合金激光焊接构件的服役性能与安全可靠性、拓展TC31高温钛合金的应用范围具有重要的科学意义和工程意义。本文针对TC31高温钛合金开展激光焊接工艺与接头性能研究。研究TC31高温钛合金脉冲激光焊接和摆动激光焊接工艺,对激光焊接熔池行为与凝固组织动态演化过程开展数值模拟;对不同激光焊接工艺条件下接头的微观组织结构、力学性能进行研究,阐明接头力学性能与焊接工艺的内在联系。主要结论如下:实现了TC31高温钛合金脉冲激光焊接过程的模拟仿真,通过焊缝熔合线轮廓特征与实验结果的对比,对模型进行了准确性验证,分析了脉冲激光焊接过程的熔池流动行为、温度分布及小孔特征。建立了以元胞自动机（CA）法为基础的凝固枝晶生长动力学网格模型,对脉冲激光焊接熔池凝固过程进行模拟仿真,发现在线能量变化相同的前提下,激光功率对晶粒尺寸变化的影响比焊接速度更大。采用脉冲激光焊接工艺,在激光功率基值功率800W～1200W、峰值功率1600W～2400W、焊接速度0.013m/s～0.02m/s,脉冲频率在40Hz,占空比为1:1、装配间隙（0～0.20）mm的工艺窗口范围内,实现3mm厚TC31高温钛合金的良好连接。焊缝内部为粗大的初始β相柱状晶晶粒,柱状晶内部存在大量交错分布的针状α′相,为马氏体组织。试样室温抗拉强度最高可达1186MPa,与母材抗拉强度相当,接头的延伸率可达3.5%;在650℃条件下高温抗拉强度均不低于母材抗拉强度的93.1%,最高可达690MPa。脉冲激光焊缝均满足航天标准QJ20465-2016中对I级焊缝的强度要求。脉冲激光焊接试样在室温和高温条件下均发生韧脆混合断裂。实现了摆动激光焊接与脉冲激光焊接熔池流动过程的模拟仿真,通过液相比例、温度梯度、熔池内液态金属流速等参数的提取分析,发现摆动激光焊小孔稳定性更高,小孔附近熔池温度梯度更大,小孔在焊接方向往复运动。上述三种现象均有利于小孔捕捉熔池中产生的气泡,降低焊缝产生气孔的倾向性。采用摆动激光焊接的方法,接头形成综合性能较好的网篮状组织,并且晶粒细化。上述变化均有利于TC31摆动激光焊接接头获得更优异的拉伸力学性能。采用摆动激光焊接工艺连接TC31高温钛合金,在装配间隙小于或等于0.4mm的情况下,摆动激光焊接接头的室温抗拉强度与母材相当,摆动激光焊接工艺显著提高了激光焊接工艺对装配间隙的适应性。3mm厚TC31高温钛合金摆动激光焊接工艺窗口为:摆动频率200Hz～400Hz,摆动振幅0.1mm～0.5mm,激光功率1900W～2100W,焊接速度0.02m/s～0.03m/s。焊缝内部为粗大的初始β相柱状晶晶粒,焊缝与热影响区交界处存在大量的等轴晶。柱状晶内部存在大量交错分布的针状α′相,为马氏体组织。与脉冲激光焊缝对比,摆动激光焊缝微观组织尺寸更细小。焊接试样室温抗拉强度最高可达1200MPa,与母材抗拉强度相当。接头的延伸率可达3.7%。与脉冲激光焊接接头的室温抗拉强度相当。在650℃高温条件下,接头的抗拉强度可达638MPa,屈服强度可达536MPa,延伸率可达18.5%,高温抗拉强度为母材的98.5%,性能略低于脉冲激光焊缝,满足航天标准QJ20465-2016中对I级焊缝的强度要求。摆动激光焊接试样在室温和高温条件下均发生韧性断裂。以上研究结果证明,脉冲激光焊接可以获得无氧化、成形良好、力学性能达标的焊接接头,可用于替代常规连续激光焊接工艺。摆动激光焊接对对接间隙的适应性更强,可以保证复杂曲面焊接接头质量。基于以上研究得到的焊接工艺窗口,成功使用脉冲激光焊接工艺与摆动激光焊接工艺实现了某航天飞行器舵面样件T型接头与锁底对接接头的高效高质激光焊接。其形面偏差为-0.18mm～﹢0.25mm（小于±0.6mm）,相对于基准平面的对称度偏差为±0.28mm（小于±0.5mm）,满足设计要求。综上所述,本文基于脉冲激光焊接工艺和摆动激光焊接工艺实现了TC31高温钛合金的高效、高质连接,研究结果对于完善TC31高温钛合金激光焊接的基础理论、提高TC31高温钛合金焊缝服役性能与安全性、拓展高温钛合金焊接技术的应用具有科学和工程意义。