在铝合金激光焊接结构中,焊缝的微观组织形态对焊接接头的性能起着决定性作用,现有的实验研究手段难以对其形成过程进行实时观察和定量检测。利用计算机技术对焊接熔池凝固组织演变进行仿真可弥补实验研究的不足。首先,本文采用元胞自动机(Cellular Automaton,CA)方法,在金属凝固枝晶生长动力学的基础上,考虑实际焊接过程工艺参数对微观组织的影响,构建了2060-T8铝锂合金激光焊接熔池凝固过程枝晶生长微观-宏观耦合模型。其中,微观枝晶生长CA模型以枝晶尖端溶质守恒理论、枝晶生长动力学为基础,考虑了成分过冷、非平衡溶质再分配等因素,使所建立的模型更能反映实际焊接凝固结晶过程的物理本质。其次,基于所建立的焊接熔池凝固枝晶生长微观-宏观耦合模型,对2060-T8铝锂合金激光焊接熔池凝固微观组织演变进行了模拟求解。模拟结果重现了不同时刻不同区域焊接熔池凝固过程中枝晶生长形态演变和溶质分布情况。此外,重点关注了熔池枝晶竞争生长过程的模拟求解,并基于求解结果分析了其生长形态特点。在此基础上,对不同焊接工艺参数、不同形核数下的柱状晶生长过程进行了模拟,并分析其对枝晶生长形态的影响规律。最后,本文设计并实施了2060-T8铝锂合金薄板激光焊接实验,通过对焊后工件的宏观形貌、微观组织、力学性能的检测与分析,优化了焊接工艺参数。一方面,对宏观温度场热源模型进行了校核;同时,采用校核后的焊接熔池凝固过程枝晶生长宏观-微观耦合模型对2060-T8铝锂合金激光焊接微观组织演变过程进行模拟,实验结果验证了模拟结果的合理性。本文所建立的微观-宏观耦合模型可有效求解铝锂合金激光焊接熔池凝固的组织演变过程,为铝合金激光焊接的定量、精确、多物理场一体化研究奠定了基础。