激光焊接因其柔性化时空传输，自动化程度高；能量密度高，热影响区小；无接触加工，光束半径小，焊接精度高等特性被广泛应用于汽车、航空航天、能源化工等重要领域。异种金属连接因其能够工程设计提供较大的灵活性，大幅降低设计成本与满足轻量化设计需求等特性也愈发在装备制造业中受到重视。激光焊接异种金属集成了上述激光焊接和异种金属连接的特点与优势，因而具有重要的研究与应用价值。但由于异种材料基体在导热系数、动力粘度等热物性参数上的巨大差异，异种金属连接构件常常出现未焊透、脆性金属间化合物、微观脆性裂纹与应力集中等缺陷，严重的降低焊接质量并限制了其进一步的推广应用。上述问题跨越了微观、介观与宏观等尺度，涉及力学、物理学与材料学等多个学科，其物理过程与背后的物理机理具有典型的多尺度多物理场耦合效应与跨尺度影响特征。基于研究现状与关键工程需求，凝练出本文科学问题为激光焊接异种金属多尺度多物理场耦合特征与跨尺度影响研究。研究目标是实现从微观、介观与宏观尺度上综合考虑激光焊接物理过程，阐述快速凝固、热质输运等物理现象背后的物理机理，建立起激光焊接多参数组合与焊接成型质量的影响关系。本文以在航空航天与能源化工等领域具有重要应用的304SS与纯镍焊接构件为例，研究思路为首先在介观熔池尺度分析热质输运过程；然后在微观尺度研究熔池瞬态传热与凝固组织关系，焊接热输入-凝固组织-力学性能之间的影响机理；在宏观尺度研究温度场演化与残余应力分布。最后，通过瞬态传热耦合上述多尺度模型，分析多尺度耦合效应对Process-Structure-Property关系的影响机理；并对合金元素输运等物理过程的跨尺度影响进行研究。本文的主要研究内容总结如下：

        1. 熔池热质输运直接表征激光材料相互作用，是多尺度模拟的核心。本文研究首先在介观熔池尺度上发展了激光焊接304SS与纯镍流动传热模型；研究了气液界面演化机理与熔池动态演化过程，熔池内能量传递机理，结合量纲分析与数值模拟方法对Marangoni对流驱动力与驱动机理做出了定量分析，并讨论了异种金属焊接界面处接触热阻的影响。基于流动传热模型，直接耦合质量输运模型研究了激光焊接异种金属熔池内质量输运与对流耦合的空间性与方向性特征。首次实现了表面张力模型与传质模型的直接耦合，通过对比研究讨论了硫元素对异种焊接流动传热与质量输运结果的影响。基于二元传质模型，首次在焊接研究中发展了适合于多元合金系统输运过程模拟的多组分传质模型，分析了异种金属焊接多组分传质现象。

    2.基于熔池瞬态热分析与焊接冶金理论，将介观熔池传热耦合到微观尺度凝固行为，提出了传热-流动-冶金模型。通过计算瞬态凝固参数温度梯度G与凝固速率R，对凝固组织进行了模拟预测，并提出了激光异种焊接过程热输入-凝固组织-力学性能的影响关系。研究了熔池尺度传热、微观尺度凝固与力学性能的多尺度耦合特征，并分析了熔池传热与和合金元素输运的跨尺度影响。

    3.基于改进的弹塑性模型，通过瞬态传热将介观熔池尺度热分析耦合到宏观尺度的热力行为。建立了异种焊接三维宏观瞬态传热模型，以傅立叶传热方程为基础分析了整体温度场演化过程。然后，耦合瞬态温度场与改进的热弹塑性模型，综合考虑了加工硬化与几何非线性对于弹塑性本构关系的影响，研究了激光焊接异种金属过程的残余应力分布特征；讨论了熔池尺度传热与宏观应力场的耦合关系；并提出了相应的残余应力调控策略。