在航空航天装备大型构件制造中,作为航空铝合金材料连接的手段,激光焊接增材制造可以大大减轻设备重量、优化结构、降低生产成本和提高焊接效率。同时,作为航空铝合金壁板一体化制造的重要工艺,先进激光焊接技术成为中国制造2025计划增材制造领域中重点研发的技术。然而,激光焊接的热梯度效应不可避免地会影响焊接区的材料微结构,造成焊接结构力学承载性能的退化。开展航空铝合金激光焊接的力学行为的演化规律的研究,不仅有助于优化选择焊接参数和制造工艺来减小焊接热变形,也为工程力学计算和激光焊接结构优化设计提供可靠的材料本构参数。激光焊接增材制造的损伤随机性、力学稳定性是机身壁板的整体化制造质量的重要影响因素。其中激光焊缝力学行为的实验表征和焊缝材料的本构参数反演是理解焊缝力学性质退化机理、优化激光焊接工艺的关键阶段。本文在6061铝合金激光焊缝不均匀变形的实验测量、材料本构参数的场数据挖掘、焊缝弹塑性分析和损伤失效机理等方面进行了研究,进而理解激光焊缝力学性能的线性和非线性演化行为。主要研究内容和成果如下:通过引入辅助的位移共轭函数来构造了可逆的二阶变形算子,这能反映更加复杂的不均匀变形和大变形,为数字图像相关的亚像素匹配提出了一种新的反向组合匹配算法(IC-GN2)。通过大变形(10%)和不均匀变形(正弦函数变形)的模拟散斑图像数值分析分别证实了所提出算法比正向组合匹配算法(FC-GN2)和先前的IC-GN2算法具有更高的精度。大变形橡胶拉伸实验表明,新IC-GN2算法在大约7.5%的大变形下具有最佳性能,可为激光焊缝局部变形行为和材料非线性行为的演化研究提供全场变形测量手段。基于铝合金的塑性随动强化本构行为,提出了一种基于预估校正的塑性随动强化应力重构算法,成功应用于非线性单纯形搜索的虚场法。通过有限元模拟的先验场数据的反演分析验证了方法的有效性,并进行了噪声敏感度分析。使用三维数字图像相关系统获得了6061铝合金激光焊接件在拉伸过程中的非均匀场序列。考虑到残余应力对反演结果的影响,在弹性加载阶段使用了基于虚功增量方程的虚场法反演了铝合金激光焊接接头材料的弹性模量谱和泊松比谱,然后使用所提出的非线性虚场法反演了塑性本构参数谱,建立了各子区的应力-应变关系,结合对塑性变形演化速率的分析阐述了其材料塑性变形失效行为。基于返回映射迭代的思想,提出一种用于等向强化弹塑性应力增量更新的单变量返回映射方法。这种应力迭代方式具有全局收敛性和一阶收敛速度,能够保证虚场法非线性单纯形搜索的稳定性和搜索速度。通过对有限元模拟的先验场数据的反演和噪声敏感度分析,证明了使用该应力重构方法的非线性虚场法能够达到较高的本构参数识别精度。进一步结合Lemaitre弹塑性损伤耦合模型,将焊接材料本构模型参数的反演区间从传统的弹塑性阶段拓展到弹塑性损伤耦合阶段,反演识别了 6061铝合金激光焊接接头的弹塑性参数谱和损伤参数谱,结合焊缝微观晶向结构观测结果解释了焊缝的塑性损伤演化行为。