一些高端大型装备制造，如国际热核聚变实验堆计划真空室大厚板壁结构对焊接质量提出了极为苛刻的要求，而现有厚板焊接技术很难达到，限制了厚板结构和材料的广泛应用和发展。窄间隙激光焊接方法集中了窄间隙焊接和激光焊接两者优势，被认为是最具潜力的厚板高质量焊接方法之一，近年来成为研究热点。研究表明窄间隙激光焊接方法存在焊接气孔及侧壁未熔合问题严重，焊接变形较大及可焊板厚范围有限等问题。针对上述问题，本文提出了一种厚板超窄间隙激光焊接方法，介绍了该方法的特征及原理，研究了超窄间隙激光焊接中光束适应性、理论最大可焊板厚、熔池形成条件及成形规律，并通过实验进行了验证及修正，最后利用该方法及高功率光纤激光器焊接了304不锈钢及5083铝合金厚板，并评定了焊接接头质量。厚板超窄间隙激光焊接方法的特征为：采用优化光束传输与聚焦系统，正离焦激光束同时作用于坡口底部及侧壁，以热导焊模式形成焊接熔池，焊丝通过熔池加热熔化并填充间隙，单道多层实现厚板连接的超窄间隙焊接方法(间隙宽度≤5mm)。研究得到了以下结论：首先，激光束在超窄间隙中的传输适应性研究表明：离焦距离、光束质量及束腰直径是影响激光束在间隙中传输距离的主要因素。通过采用正离焦形式、高光束质量激光器及合适的束腰直径可明显提高激光束在间隙中的适应性，减小焊接间隙宽度，增大超窄间隙激光焊接方法可焊板厚的极限。其中，当且仅当光束束腰直径D与间隙宽度W满足条件D=W/2时，光束在超窄间隙的传播距离最大，束腰直径过大或过小都会使光束在间隙中的传播距离减小。在此条件下，结合最佳离焦距离及最优光束质量数值得到了不同间隙宽度时的理论最大可焊板厚。其次，熔池成形条件及规律的研究表明激光功率密度、熔池对侧壁润湿条件及光斑尺寸是影响熔池形成及形态的主要因素。首先，通过温度场解析求解得到了热导焊接熔池形成的最低激光功率密度等条件。通过304不锈钢材料的超窄间隙激光焊接实验对计算结果进行了验证及修正，得到了表征间隙宽度对焊接温度场分布影响的结构系数b。其次，通过对热导焊接熔池表面张力及熔池流动形态的研究表明可通过提高侧壁及熔池温度，利用由下向上、由内向外的熔池流动方式，达到理想的熔池表面形态。因此，增大激光光斑尺寸，提高热输入量和降低焊接速度等方式都有利于获得较好的熔池表面形态。再次，通过研究光斑大小对焊缝成形的影响规律，得到了最优熔池表面形态的光斑尺寸。最后，为验证对光束可达性及熔池形成条件理论，分别进行了304不锈钢及5083铝合金材料的宽3.5mm高90mm间隙及宽4.5mm高120mm间隙的两层焊道的激光焊接，结果表明激光束顺利穿过间隙并形成了无明显缺陷成形良好的热导焊缝，焊道之间且保持了合适的重叠度，光束适应性及熔池形成条件理论计算与实际焊接结果较为符合。最后，利用超窄间隙激光焊方法、优化的光束传输系统及焊接参数和高功率光纤激光器焊接了60mm厚304不锈钢板及25mm厚5083铝合金板，均得到了成形良好无明显缺陷的焊接接头。对厚板超窄间隙结构及热导焊接热源条件下的焊接接头组织性能进行了研究，结果表明20层焊道组成的304不锈钢接头焊缝组织细小均匀，热影响区并无明显晶粒长大，少量铁素体沿熔合线向母材方向扩散生长。Cr、Ni等合金元素等在焊缝及热影响区分布均匀，无明显偏析。焊缝与母材显微硬度相当，略低于热影响区。在183K、213K、243K及273K温度下接头拉伸强度随温度降低而上升，达到母材的86%以上。焊接接头塑性较好，试样弯曲180度无裂纹及其它缺陷产生。7层焊道组成的5083铝合金接头宽度小于4.5mm，焊缝组织为细小柱状晶且均匀分布有不连续的点状析出物。热影响区晶粒并无明显长大，有部分析出物析出。焊缝与母材显微硬度相当，热影响区软化现象不明显。在273K、243K、213K及183K温度下焊接接头抗拉强度与屈服强度随温度降低略有升高，且达到母材强度98%以上。接头塑性较好，试样弯曲180度后表面缺陷较少。