激光焊接技术作为一种崭新的连接技术，具有传统焊接方法无法比拟的优点。近年来，高功率高光束质量光纤激光器的出现，使得厚板激光焊接一次成形成为可能。但由于功率高，作用在材料上的激光能量密度达到106-108W/cm2，使得激光焊接过程小孔、熔池及金属蒸汽/等离子动态行为极不稳定，从而容易造成飞溅、塌陷、驼峰及钉子头等焊缝缺陷，最终导致厚板激光焊接的焊缝成形质量难以保证。因此，对这些焊接缺陷产生机理和有效抑制方法的研究是十分重要的。SUS304不锈钢是一种具有耐腐蚀性好、无磁性且韧性和塑性较高的奥氏体不锈钢，在航空航天、船舶工业、核工业及化学生物工程等领域的应用越来越广泛。因此，本文以SUS304不锈钢为材料进行激光焊接的数值模拟和工艺试验研究，揭示钉子头焊缝缺陷产生的机理和有效抑制的方法。本论文开展和完成工作如下：首先，利用COMSOL Multiphysics软件建立了激光焊接过程涉及流体传热和流体流动的三维稳态模型。模型考虑了Marangoni力、浮力及潜热共同驱动下的三维熔池传热和熔池流动。通过添加源项的方法处理糊状区相变问题，采用等效比热容法处理相变形成的潜热问题，利用分离求解器求解不同物理量以减小自由度大的问题，利用直接求解器和迭代求解器分别求解温度、流速和压力。分别计算了有无添加Marangoni对流和不同Marangoni系数对温度场、速度场及熔池形貌的影响。结果表明：激光焊接过程上表面的Marangoni对流是使熔池中心高温液体金属向熔池边缘流动，导致钉子头型焊缝缺陷产生；并且随着Marangoni系数从0N (m·K)增加到-1e-3N (m·K)，钉子头型焊缝缺陷越来越严重。最后，试验结果表明了计算的熔池形貌与试验的截面形貌比较吻合。其次，基于改进的“三明治”试验方法，采用高速摄像对SUS304不锈钢激光焊接过程进行直观观测，分析了沿焊接截面方向上和上表面小孔动态行为、金属蒸汽及熔池动态行为与钉子头焊缝缺陷产生机理之间的关系。结果表明：钉子头焊缝缺陷产生原因是由于高速向外喷射的金属蒸汽对孔壁摩擦力作用，使得熔池液体金属沿小孔壁向上流动，液态金属在上表面不断聚集，由于表面张力梯度引起的上表面的Marangoni对流的作用，导致熔池中心高温液态金属不断向边缘流动，熔池上表面宽度增加，在这两种机制共同作用下形成钉子头焊缝缺陷。最后，采用单一变量方法分析了焊接速度、离焦量、激光功率、吹气方式、侧吹喷嘴口径对焊缝成形的影响，获得控制钉子头型焊缝缺陷的有效工艺参数；紧接着，通过添加活性铁锈粉进行激光焊接试验，分析有无添加活性铁锈粉对焊缝成形的影响。结果表明：在激光功率为4kW、焊接速度为25mm/s、离焦量为-3mm、同轴吹气条件下，能得到焊缝深宽比大、熔合线夹角小的焊缝，“钉子头”型焊缝截面得到了良好的控制；通过添加活性铁锈粉发现：焊缝熔深增加，熔宽变窄，有效的抑制了“钉子头”型焊缝缺陷，形成“V”型焊缝，减小试件冷却后的变形和残余应力，明显改善了焊缝成形质量。因此，优化焊接工艺参数和添加活性粉是控制“钉子头”型焊缝缺陷的有效方法，为提高焊缝成形质量和减小工件变形提供理论和技术指导。