局部干法水下激光焊接技术是通过人为地设置局部排水装置,以降低水对激光焊接过程的影响,该方法具有高热量输入、损耗低精度高以及快速冷却的优点,在海底油气管道、海上大型设备以及绿色核电设施的建设与维修等领域具有广阔的应用前景。但是,现有的局部干法水下激光焊接装置通常只适用于浅水环境,无法直接进行对深水高压环境激光焊接过程的研究。为此,本文重点研发设计了一种适用于深水高压环境的局部干法水下激光焊接地面模拟装置,能够在地面上模拟深海高压环境下的激光焊接过程。并通过建立局部干法水下激光焊接三维模拟仿真模型,对不同深水环境下的激光焊接介观物理过程进行深入分析,在地面上形成一种深海环境局部干法水下激光焊接物理模拟与数值模拟相结合的研究方法。首先设计模拟深海环境的局部干法水下激光焊接地面模拟装置。本文主要对模拟装置的压力调节集成系统、激光入射孔以及可移动运动平台三个主要方面进行设计。通过对模拟装置进行综合性能验证,结果表明:自主研发设计的地面模拟装置能够承受10 MPa以上的压力,即能够模拟水深1000米以上的深水环境。并且具有良好的密封性能,能够对装置内部环境压力进行调节变化;通过对模拟装置进行相关实验验证,研究结果表明:利用模拟装置进行局部干法水下激光焊接实验,可以在待焊件上方成功形成局部稳定的干燥空间,并且实验所得到的焊缝形貌与大气环境下激光焊接的焊缝形貌十分接近,证明了利用研发设计的地面模拟装置进行局部排水的可行性和有效性。接着基于该自主研发的地面模拟装置,建立局部干法水下激光焊接试验操作平台,研究不同焊接速度参数条件下的局部干法水下激光焊接过程。研究结果表明:在功率和离焦量等工艺参数不变的条件下,焊缝表面成形良好,成“T”字形状,上半部分较宽,下半部分狭长而笔直,整个焊缝形貌横截面积随着焊接速度的增大在逐渐减小。此外,焊缝的熔深随着焊接速度的增大而逐渐减小,当焊接速度从1.0 m/min增加到3.0m/min时,熔深从4.1 mm减小到2.8 mm,焊缝的熔宽也呈现下降趋势,从3.6 mm减小到2.8 mm。并通过对残余应力的分析,可知常压下的大气和水下激光焊接过程等效应力相当,均能达到610 MPa左右。最后利用数值模拟仿真的方法,通过建立考虑局部干燥焊接空间和压力环境等条件的数学模型,并对反冲压力模型进行修正,进一步揭示局部干法水下激光焊接熔池小孔的演化过程。研究结果表明:无论是在水环境中还是在大气环境中,小孔熔池中的最高流速均达到了2 m/s。虽然局部干法水下激光焊接过程与大气环境下相似,但是水的存在会对小孔熔的池流动特征产生影响,大气环境熔池上部逆时针转动的漩涡较为剧烈,水下环境的漩涡只集中在熔池上方较小的区域里。并且环境压力对焊缝的影响是显著的,随着环境压力的不断增大,焊缝熔深不断减小,小孔表面凸起减少,熔池表面温度逐渐升高。