锆合金低真空摆动激光焊接熔池行为与成形特性的多尺度研究

为解决核燃料元件锆合金包壳结构焊接中存在的非平衡凝固缺陷和传统电子束焊接(EBW)技术局限性问题，研究人员采用真空振荡激光焊接技术，通过金相检测、X射线分析和高速成像等手段，揭示了环境压力降低可显著抑制羽流效应并增加熔深，圆形振荡轨迹可获得最佳焊缝成形，同时通过模拟阐明了熔池流动特性与锁孔周期性变化规律，为核反应堆关键部件制造提供了新工艺方案。

　　

核能安全的核心在于燃料元件的可靠性，而锆合金作为压水堆(PWR)燃料元件包壳的关键材料，其焊接质量直接决定核反应堆的安全屏障性能。传统电子束焊接(EBW)虽广泛应用，却存在末端焊接缺陷和束流偏移等技术瓶颈。更棘手的是，锆合金高温下易与H₂、O₂、N₂发生反应，亟需开发兼具高能密度与低热影响的新型焊接技术。真空激光焊接凭借其能量集中、适应性强的特点成为潜在解决方案，但关于锆合金在低真空环境下摆动激光焊接的熔池动力学研究仍属空白。

为突破这一技术壁垒，中国的研究团队在《Vacuum》发表了创新性研究。该工作采用多尺度研究方法：通过控制环境压力梯度（大气压至10^-2 Pa）进行焊接实验，结合金相显微镜和X射线探伤分析焊缝缺陷；利用高速摄像机捕捉羽流动态；建立热-流耦合模型模拟熔池行为，重点关注圆形振荡轨迹下锁孔(keyhole)的周期性变化。

环境压力对焊缝成形的影响
实验数据显示，当环境压力降至10^-1 Pa时，熔深较常压条件提升达47.3%，这归因于真空环境有效抑制了激光诱导羽流对光束的散射效应。X射线检测证实，低压条件下焊缝内部气孔率降低至0.2%以下，显著优于常规EBW工艺。

振荡参数优化机制
对比线性、螺旋和圆形三种振荡轨迹发现，圆形轨迹在转速3000 rpm时能产生最稳定的熔池流动。高速影像显示，该模式下熔池表面波动幅度减小62%，且锁孔深度在轨迹端点达到最大值（约板厚的85%），这种周期性变化为焊缝均匀性提供了保障。

熔池动态行为的数值解析
模拟结果揭示：激光摆动产生的离心力驱使熔池金属形成与光束运动同向的涡流，这种流动在0.25秒后达到稳态。特别值得注意的是，在单个振荡周期内，锁孔后壁的倾斜角度变化与熔池尾部凝固速率呈负相关，这为控制焊接变形提供了理论依据。

这项研究首次系统阐明了低真空环境下激光摆动焊接锆合金的成形机理，突破性地证明：圆形振荡轨迹配合10^-1-10^-2 Pa环境压力可同步实现熔深提升和缺陷控制。该技术将核燃料元件包壳结构的焊接合格率从EBW的92%提升至98.7%，更为重要的是，其热影响区宽度缩减40%，显著降低了焊接残余应力。这些发现不仅为核级锆合金构件制造建立了新工艺标准，其揭示的熔池流动规律更为其他高活性金属的激光加工提供了普适性指导。