采用激光-氩弧电弧复合焊接方法对核级高硅含钛奥氏体不锈钢的包壳材料进行对接焊接,通过正交试验研究焊接工艺参数对焊缝气孔率的影响,并对焊缝的显微组织及接头的力学性能进行分析。试验结果表明,提高焊速和离焦量可以明显降低气孔的数量和尺寸,在优化的焊接工艺参数条件下可以获得成形良好和无气孔缺陷的焊缝;焊缝区组织为单一奥氏体相,焊缝区中心为粗大的柱状晶,熔合线附近焊缝区的晶粒尺寸减小,并存在细小的胞状晶和等轴晶;热影响区组织与母材基本相同,但其晶粒尺寸略大于母材;焊接接头的平均抗拉强度为607 MPa,约为母材抗拉强度的73%,平均断后延伸率为6.5%;拉伸断口处存在大量的撕裂棱和韧窝,其为典型的韧性断裂;焊缝区域的硬度在160 HV_0.1左右,约为母材硬度的60%;180°的面弯和背弯结果合格,接头性能满足核反应堆中核燃料组件对包壳材料的技术要求。

为了获得综合性能优良的含氮奥氏体不锈钢激光熔覆层,以经过超高纯氮气处理的固溶渗氮AISI304粉末为原料,采用激光熔覆技术制备了不同氮含量的奥氏体不锈钢熔覆层,并对熔覆层的组织和性能进行了研究。研究结果表明:在激光熔覆过程中存在氮的析出,熔覆层中存在气孔;随着粉末中的氮含量增加,熔覆层中的氮含量逐渐增加,孔隙率先增大后减小,强度明显提高,但断后伸长率逐渐下降。对于采用氮质量分数为0.41%的粉末制备的熔覆层,其氮的质量分数为0.25%,抗拉强度为(856±20) MPa,屈服强度为(747±15) MPa,断后伸长率为(22±3)%,平均显微硬度为280.68 HV0.2;对于采用氮质量分数为0.16%的粉末制备的熔覆层,其自腐蚀电位为0.0777 V,腐蚀速率为1.6198×10 -5 g/(m 2·h),均远优于AISI304熔覆层。

对奥氏体不锈钢薄板的激光焊接过程进行数值模拟分析, 得到不同焊接工艺条件下的瞬态温度场分布和接头残余应力分布。结果表明, 激光焊接温度场具有准稳态特征, 等温线呈椭圆形, 在移动热源的前方等温线密集, 后方等温线稀疏。随着脉冲能量的增大, 焊接热循环曲线的峰值温度升高。接头残余应力场模拟计算结果表明, 沿垂直于焊缝方向的横向残余应力值大于纵向残余应力值。对焊接热循环曲线与接头微观组织之间的关系进行分析, 结果显示, 峰值温度的高低与冷却速率的大小对焊缝微观组织具有较大影响。接头区域的显微硬度测试表明, 熔合线附近的硬度高于焊缝金属与母材本身的硬度。

采用光纤激光器对奥氏体不锈钢锁底型焊缝结构进行焊接, 分析焊接工艺对焊缝成形和气孔缺陷的影响, 优化工艺参数, 考察接头静态拉伸性能。结果表明: 随着焊接速度的增大, 焊缝形貌的熔深、熔宽出现下降趋势; 相反随着激光频率的增加, 焊缝形貌的熔深、熔宽增大。焊接速度相对于激光频率对气孔率影响更加显著。在激光功率P＝3.5 kW, 速度V＝2.5 m/min, 激光频率f＝35 Hz, 可获得成形良好、无缺陷的焊缝, 焊缝气孔率为2%, 平均抗拉强度为母材强度的94.7%。焊缝形貌为T字形柱状树枝晶组织。

研究了外加纵向磁场对SUS316L奥氏体不锈钢激光-稀有气体保护复合焊接接头成形特点、微观组织及显微硬度分布的影响。实验结果表明, 在外加纵向磁场的作用下, 接头的余高减小, 熔宽增大, 成形系数增大, 截面宽而深。外加磁场改变了接头的热循环, 使热影响区析出长条形δ-铁素体, 抑制了晶粒的生长。外加磁场使熔池旋转, 接头晶粒得到细化, 结晶均匀性得到提高, 显微硬度分布变得稳定。这种影响随着磁感应强度的增加而增强, 随着接头深度的增大而减弱。

为了研究光纤激光焊接奥氏体不锈钢过程中侧吹气体对焊缝组织和耐腐蚀性能的影响，建立了一种侧吹气体和金属蒸气的流体模型，分析了不同侧吹气体及其流量对金属蒸气温度场和速度矢量场的影响，提出了一种通过侧吹气体增加焊缝金属中氮元素含量的方法。试验结果表明，在不影响焊缝成形的前提下，该方法有效提高了上层焊缝金属中氮元素的含量，抑制了焊缝金属中铁素体的含量，增强了奥氏体不锈钢激光焊焊缝的耐点蚀性能。

为了研究线能量对304奥氏体不锈钢激光焊接质量的影响, 采用高功率Nd∶YAG激光器及焊接机器人对304奥氏体不锈钢薄板进行了激光焊接工艺试验, 并使用光学显微镜、显微硬度计、拉伸试验机等仪器重点研究了线能量对304奥氏体不锈钢激光焊接焊缝成形和力学性能的影响。结果表明, 线能量对焊缝成形、显微硬度及力学性能有较大影响, 接头显微硬度分布不均匀, 低功率时静拉伸强度最小值为671.67MPa,高功率时静拉伸强度最小值达780MPa。

采用高功率Nd∶YAG激光器及焊接机器人在线能量不变的情况下对0.7 mm厚304奥氏体不锈钢薄板进行了激光焊接试验.采用光学显微镜、显微硬度计、拉伸试验机、扫描电镜等仪器测试分析了接头组织及力学性能,研究了在线能量不变时激光功率和焊接速度的搭配对表面质量、接头组织及力学性能的影响.研究结果表明,激光功率和焊接速度的搭配对焊缝宏观形貌影响较大,激光功率和焊接速度的合理搭配是获得良好接头的关键.

提出一种激光超声波成像技术对奥氏体不锈钢焊缝中的人工缺陷进行检测，利用NdYAG脉冲激光器对奥氏体不锈钢焊缝进行扫查，对接收到的超声波信号进行离散正弦/余弦变换(DST/DCT)和希尔伯特变换（HT）。常规的超声波成像方法不能有效检测焊缝边界及焊缝中的人工缺陷，采取离散正弦/余弦变换和希尔伯特变换相结合的激光超声波成像技术不仅能直观、高效地检测出焊缝边界，而且对焊缝中的缺陷位置、大小及形状等也能有效检测。离散正弦/余弦变换和希尔伯特变换的激光超声波成像技术为焊缝缺陷中的定量检测提供了基础。

为了研究保护气体对奥氏体不锈钢焊接接头力学性能的影响，在相同线能量条件下对加保护气体与不加保护气体两种焊接方式进行了对比研究。采用Nd:YAG 激光器对厚度为0.7 mm 的奥氏体不锈钢进行激光焊接，用扫描电子显微镜、显微硬度计、材料试验机等仪器对焊接接头的微观组织及力学性能进行表征及测试。结果表明，在相同的激光工艺参数下，两种焊接方式均实现完全焊透，且焊缝成型良好。不加保护气体时，随着焊接速度的降低，接头抗拉强度随之降低，最多降低了20%。加入保护气体后，接头的抗拉强度变化平稳，均为母材强度的90%以上。