对于激光深熔焊，焊缝形貌尺寸是评价焊缝质量的最重要参考指标之一，而焊缝的形状取决于焊接的热过程。采用数值模拟计算焊接热过程，经少量试验验证，证实其在焊缝形貌预测方面的适用性，可为实现工艺参数预选提供重要的参考依据，具有重要的理论意义和工程实用价值。针对光纤激光深熔焊，现有的体积热源模型通常不能全面、合理地考虑激光过程中能量的分布特点，且大多数模型通常仅针对小范围内工艺条件下进行模拟，很少同时用于激光穿透焊以及非穿透焊两种焊接情况下的焊缝形貌预测。本文以301L不锈钢为研究对象，对光纤激光深熔焊接过程进行了温度场及焊后残余应力三维有限元模拟计算。针对光纤激光焊接特点，基于面热源+柱体热源这种组合热源，提出了面热源+峰值递增柱状热源的组合式热源，建立了基于ANSYS软件的激光深熔焊温度场及应力场数值模拟方法。搭建了激光焊接热循环曲线测量系统，该系统基于快速响应的热电偶和USB数据采集卡，通过Labview程序实现了激光穿透焊和非穿透焊时焊接热循环曲线测量，并利用测量结果进行了温度场模拟结果的验证，证实了温度场有限性元模型的可靠性。采用验证后的模型，结合两组工艺实验结果和模拟结果，修正了热源模型参数，实现了穿透焊及非穿透焊两种焊接情况下的焊缝形貌预测。通过对预测焊缝尺寸与实际焊缝尺寸的对比和误差分析发现：对于非穿透焊缝形貌预测，热源模型参数对功率和速度改变不敏感，预测的误差较小；对于穿透焊时，主要在束腰尺寸上偏差相对稍大，但是模拟的焊缝横截面尺寸的熔宽、背面熔宽和熔深等关键尺寸都与实验结果基本吻合，并且大致形貌走势和实际一致。在准确热分析的基础上，进行了激光功率3kW，焊接速度1m/min条件下的应力场计算，获得了该工艺条件下的激光焊接过程中应力场和残余应力分布。