焊接过程是一个局部不均匀加热的过程,不均匀温度场会导致热应力产生,造成残余塑性变形和残余应力,以及引起结构变形,由此会影响到结构的刚度、强度及稳定性,从而导致结构承载能力降低。焊接残余应力和残余变形在某种程度上会影响焊接结构的承载能力和服役寿命,残余变形及残余应力测量对控制焊接残余应力、改善工艺具有重要指导作用。精确测量和表征焊接过程产生的应变及残余应力分布,并提供有效、充足的焊接构件应力状态信息是亟待解决的难题,具有非常重要的工程实践意义。数字图像相关法是一种成熟的变形测量技术,依赖于相机、计算机等设备,具有非接触式、无损伤、全场测量和精度高等优点,测量准备工作简单。本文基于二维数字图像相关法、计算固体力学相关理论,将线性化的逐步增量变刚度法运用于焊接高温应变-应力分析与计算,提出了适用于焊接全场高温的应变-应力算法,开展了304不锈钢钨极氩弧焊(Gas Tungsten Arc Welding,GTAW)焊接热影响区全场焊接残余应力分布研究,并对全场应力测量精度影响因素进行分析验证。首先,基于二维数字图像相关法的应变测量方法、计算固体力学、弹塑性力学等理论,提出了适用于焊接高温热弹塑性过程的应变-应力转换算法,探究了模型选择、增量步长对焊接应变-应力转换算法精确性影响因素,并自主开发了稳定可靠、可移植性强的计算机软件程序。其次,研制了基于主动视觉的焊接高温应变及温度场测量系统,设计了一种新型具有抗高温烧损、随机分布特征的散斑点阵,并采用脉冲激光辅助光源和近红外窄带滤光系统获取清晰焊缝热影响区散斑图像,实现在焊接电弧强弧光干扰下获取清晰散斑图像。基于高温应变测量系统,开展一系列304不锈钢GTAW平板对接试验,通过数字图像相关法计算、表征焊接高温全场应变与温度场,并获得焊接热影响区的焊接过程应力场与焊接残余应力场,最终计算结果与盲孔法焊接残余应力结果进行对比。最后,分析二维数字图像相关法的焊接应力测量方法精度影响因素。对测量中的离面位移、离面旋转位移引起的误差进行定性与定量分析,并进行试验验证。为避免二维数字图像相关法离面位移、离面旋转等带来的应变测量误差,搭建了三维数字图像相关法应变测量系统,开发了双目相机视觉标定、三维重建与三维应变计算等软件,并进行了试验验证。