飞行器的轻量化,是航空航天领域始终的研究热点与不懈的追求目标。以铝锂合金为代表的新材料在其中的深度应用和以激光焊接技术代替传统的铆接技术,是目前航空飞行器轻量化制造中备受关注的两大趋势。采用激光焊接技术实现铝锂合金的连接,则可以同时兼顾材料轻量化与工艺轻量化。然而,现阶段激光焊接铝锂合金存在着能量利用率低和易产生焊接缺陷等问题。背反射增效激光焊接技术,是课题组提出的一种高效率低阈值激光焊接新技术,可以在常规激光焊接仅能实现近V形焊缝成形的低能量阈值条件下实现高品质的近X形焊缝成形。针对激光焊接铝锂合金现存的问题,本文以第三代航空用2198铝锂合金薄板为对象,探索了采用背反射增效激光焊接技术实现铝锂合金薄板高效高质焊接的可行性。研究中,采用数值分析和实验研究相结合的方法,较为系统地研究了铝锂合金薄板背反射增效激光焊接温度场分布、焊缝成形工艺特性及其组织性能,并在此基础进一步探究了对背反射增效激光焊接数值分析有着重要影响的热源模型参数,旨在为促进通过激光焊接铝锂合金实现航空飞行器的轻量化提供参考,并且进一步丰富和发展背反射增效激光焊接技术相关理论。本文的主要研究工作和获得的主要研究结果如下:(1)开展了铝锂合金薄板背反射增效激光焊接温度场数值模拟与分析研究。基于前期研究结果估计的背反射增效激光焊接热源模型参数,建立了焊接过程三维瞬态有限元分析模型并进行了实验验证,分析了2198铝锂合金薄板在不同激光功率密度条件下与不同线能量条件下熔池温度场分布情况。结果表明:随着激光功率密度的增大,焊接模式由热导焊向深熔焊转变,且在同一时刻从边缘到焊缝中心,焊缝背面温度梯度呈现先增大后减小的变化趋势,在焊缝中心处温度梯度最小。同时,焊缝熔宽以及熔深与线能量成正比;随着线能量的减小,焊缝正面和背面熔池均有所减小,相应的熔宽也随之有所减小,热影响区面积也呈现出轻微减小趋势。(2)开展了铝锂合金薄板背反射增效激光焊接焊缝成形工艺特性研究。在数值模拟分析和探索性试验的基础上,研究了激光功率密度和线能量密度对2198铝锂合金薄板背反射增效激光焊接焊缝成形的影响,初步讨论了背反射增效激光焊接反射能场的形成过程及其作用机理。研究表明,激光功率密度和线能量密度对焊缝成形影响的实验结果和模拟结果基本一致;同时,在本文实验条件下的最优工艺参数为激光功率1300W,焊接速度2600mm/min,离焦量0mm。此外,所获得的焊缝横截面金相形貌,有力地证实了焊缝背面由反射垫板诱发的由金属蒸气云场构成的反射增效能场的存在,而且该能场具有热效应和力效应的协同作用。(3)开展了铝锂合金薄板背反射增效激光焊接接头组织与性能特性研究。以本文最优工艺参数下的焊接接头为研究对象,考察了焊接接头不同区域的微观组织形貌,沿焊缝横切面的硬度分布和拉伸强度及其断口形貌,并与相同工艺参数下的常规激光焊接接头进行对比分析。结果表明:在本文最优工艺参数条件下,采用两种方法所得焊接接头的组织形貌、硬度分布和拉伸强度基本一致;但是,在相同工艺参数下,背反射增效激光焊接熔池面积较常规激光焊接增大了26.57%,这表明背反射增效激光焊接可实现铝锂合金薄板的高效激光焊接。分析认为,之所以在本文实验条件下铝锂合金薄板背反射增效激光焊接接头组织和性能并未体现出很好的改善效果,可能是由于模拟分析时基于前期焊接钛合金试验结果所假设热源模型参数的指导意义有限。(4)开展了基于反演算法的背反射增效激光焊接双热源模型参数探索。建立了背反射增效激光焊接双高斯复合热源模型的数学描述方程,引入了反演算法思想并采用模式搜索法反演计算了双高斯复合热源模型中不同反射能场下两个热源能量占比系数,并对比分析了不同反射能场条件下模拟结果与实验结果。结果表明,在高斯旋转体热源与高斯面热源组成的双高斯复合热源模型中,随着反射能场距离的增大,面热源能量占比系数逐渐减小,即焊缝背部反射能场的热效应会随着反射能场距离的增大逐渐衰减甚至消失。这一研究结果,量化了背反射增效激光焊接过程中的双热源能量占比,从而为今后背反射增效激光焊接通过数值分析指导工艺研究提供了较为精确的热源模型参数。