CLF-1/316LN-IG异种钢激光焊接工艺参数优化及接头性能提升研究

本研究针对核聚变反应堆关键部件CLF-1钢与316LN-IG奥氏体不锈钢(ASS)异种材料焊接难题，采用响应面法(RSM)优化激光功率(LP)、焊接速度(WS)和焦点位置(FP)等关键参数，成功获得10mm厚全熔透焊接接头。通过数值模拟揭示熔池凝固行为差异，验证了优化参数下接头抗拉强度达620.9MPa且断裂发生于316LN-IG母材，为核聚变装置结构件可靠性提供重要技术支撑。

　　

在追求清洁能源的全球背景下，核聚变反应堆作为未来能源的希望之星，其关键部件的制造技术至关重要。国际热核实验堆(ITER)和中国聚变工程实验堆(CFETR)中，测试包层模块(TBM)需要连接两种截然不同的材料：中国自主研发的低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢CLF-1和ITER专用奥氏体不锈钢316LN-IG。这两种材料如同性格迥异的兄弟，一个天生坚韧，一个擅长抗辐照，将它们完美焊接在一起，成为制约核聚变装置安全运行的"卡脖子"难题。

传统焊接方法面对10mm厚异种钢焊接时，常出现熔深不足、焊缝成形差等问题。激光焊接凭借高能量密度、小热影响区(HAZ)等优势脱颖而出，但工艺参数的选择如同在钢丝上跳舞——激光功率(LP)太高会导致焊缝凹陷，焊接速度(WS)太快又可能产生未熔合，焦点位置(FP)的微小变化都会显著影响焊缝形貌。更复杂的是，316LN-IG与普通316L不锈钢虽成分相似，但完全奥氏体的特性使其焊接行为大不相同，前人研究难以直接借鉴。

针对这些挑战，华中科技大学的研究团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表重要成果。研究采用中心复合设计(CCD)实验方案，通过响应面法(RSM)建立激光功率(9-11kW)、焊接速度(1.8-2.4m/min)和焦点位置(-4至+4mm)与熔深(PD)、焊缝宽度(WW)、余高(WRH)的定量关系模型。结合Fluent软件模拟熔池温度场，系统分析CLF-1侧与316LN-IG侧凝固行为的差异。最终通过显微硬度测试、残余应力分析和拉伸试验验证接头性能。

关键技术方法包括：1)采用150μm芯径光纤激光器(30kW)进行对接焊；2)基于CCD设计18组实验，使用ImageJ软件量化焊缝形貌；3)建立高斯旋转体热源模型模拟温度场；4)X射线衍射(XRD)测量残余应力；5)电子显微镜(SEM)观察显微组织。

研究结果揭示：

3.1 统计模型分析

建立的二次回归模型显示：LP对熔深影响最显著(p<0.0001)，每增加1kW熔深提升1.52mm；WS主要影响焊缝宽度，2.4m/min时宽度较1.8m/min减少28%；FP调控余高，负离焦(-2mm)可减少飞溅使余高接近零。

3.2 工艺参数优化

最优参数组合为LP=10.7kW、WS=2m/min、FP=-2mm，实测熔深10.18mm与预测值误差<5%。X射线检测显示焊缝无裂纹、气孔，实现"鱼鳞纹"均匀的完美成形。

3.3.3 凝固行为差异

数值模拟发现：316LN-IG侧温度梯度(G)达3088K/mm，远高于CLF-1侧(2358K/mm)，导致前者形成细小柱状枝晶，后者为粗大柱状晶。CLF-1侧热影响区(HAZ)宽度300μm，而316LN-IG侧因无相变几乎无HAZ。

3.3.4-6 力学性能

显微硬度呈"M"型分布，焊缝区最高达425HV_0.3；残余应力在316LN-IG侧出现400MPa拉应力峰；拉伸试验显示接头强度(620.9MPa)与316LN-IG母材相当，所有试样均断裂于远离焊缝的母材区，断后伸长率42.1%。

这项研究的意义在于：首次建立CLF-1/316LN-IG异种钢激光焊接的工艺窗口，突破厚板焊接成形控制难题。揭示的凝固行为差异为后续成分设计提供理论依据，优化的接头性能满足ITER对TBM模块"零缺陷"的严苛要求。所采用的RSM与数值模拟相结合的方法，为其他异种材料焊接研究树立了新范式。正如研究者所言，这项成果不仅推动核聚变装置结构设计进步，其方法论更可拓展至航空航天、海洋工程等高端装备制造领域。