揭示N?/Ar保护气对含硼水中局部干式水下激光焊接304L接头孔隙形成、微观组织演变及性能的影响

《Optics & Laser Technology》：Unveiling the role of N 2/Ar shielding gas in porosity formation, microstructure evolution and properties of 304L joints fabricated by local dry underwater laser welding in borated water

　　

## 摘要

乏燃料池的304L奥氏体不锈钢衬层在含硼水中长期服役，因此可靠的水下焊接修复对核电厂安全至关重要。局部干式激光焊接已被公认为一种前景广阔的水下修复技术，但在含硼水条件下N2/Ar保护气体组成对焊缝质量的影响尚未得到系统阐明。本研究在模拟含硼水中对304L进行了局部干式水下激光焊接，保护气体中N2比例逐步递增，并以纯N2淡水为参考。N2比例的提高使焊缝金属中的残余氮含量上升，Creq/Nieq比从1.903降至1.531，凝固模式在FA区域内向AF侧偏移，残余δ-铁素体的比例和连续性降低。这些变化伴随着更细且更均匀的组织、更高的低角晶界比例以及在3.5 wt% NaCl加速试验中更优的氯化物诱导点蚀抗力。氮溶解模型将绝对氮含量高估了8.19%–14.30%，但在本工艺窗口内再现了可接受的吸氮趋势。在纯N2保护下，实现了无气孔焊缝，且在模拟含硼水中相对于淡水未观察到焊缝成形、工艺稳定性或气孔敏感性方面的明显恶化。因此，纯N2淡水对比为焊接工艺与模拟含硼水环境的相容性提供了面向应用的证据，而N2/Ar系列则建立了保护气体组成、吸氮量、组织和焊缝性能之间的定量关系。这些发现为核应用环境下不锈钢部件的水下修复提供了理论和实验支持。

## 引言

核电作为一种清洁、可靠的基荷能源，是保障全球电力系统安全稳定高效运行的关键支柱，其战略重要性在国际上得到广泛认可且不可替代[1]。截至2026年3月，全球在运核电机组总数约达413台，总装机容量超过377 GWe，分布于31个国家。早期投运的水冷机组占在运机队的约95.7%，已进入延寿服役阶段。借助先进材料和升级的焊接技术，许多国家已将设计寿命从20–30年延长至60年。核电设备的长期安全运行、维护和技改升级已成为全球低碳能源转型和能源安全治理的核心议题[2]，[3]。

核电厂中的关键部件，如乏燃料池和换料水池的不锈钢衬层、反应堆压力容器内壁的不锈钢堆内构件，长期暴露于剂量辐射、含硼水腐蚀、高温高压以及机械冲击等极端水下环境中。在此类条件下，易发生应力腐蚀开裂和辐照损伤等失效。若不能及时焊接修复，这些缺陷可能导致放射性介质泄漏，对核安全构成严重威胁[4]。304L奥氏体不锈钢因其优异的耐腐蚀性、良好的力学性能和出色的成形性，被广泛用于核电厂关键水下部件。因此，其焊缝质量直接决定了此类设备的结构完整性和服役安全[5]。水下核结构件的修复焊接技术一般分为三类：湿式焊接、干式焊接和局部干式焊接。湿式焊接[6]设备简单、成本低，但工艺稳定性差、接头质量低。干式焊接[7]能提供稳定的焊接条件和高质量焊缝，但成本高、操作时间长，且对复杂服役环境的适应性差。相比之下，局部干式焊接[8]兼具较高焊接质量和广泛的适用性，使其成为304L不锈钢结构件修复的有力候选技术。

Fu等[9]指出，水下电弧焊接受限于环境适应性差、加工效率低和电弧行为不稳定等问题，限制了其在核电维护场景中的应用。Wang等[10]提出了一种带气幕局部干式腔的粉末送水下激光定向能量沉积工艺，但粉末送丝路线可能引入水污染，不适合洁净度要求严格的核环境。Sun等[11]证实，局部干式水下激光焊接是压水堆水下部件修复的核心技术，该技术采用高压气体构建干腔，从而保证焊缝质量良好。相关研究大多在非含硼水中进行。PWR中使用的含硼冷却剂可能局部干式水下激光焊接工艺产生独特影响。Guo等[12]，[13]发现硼酸溶液对水下湿式电弧焊接的工艺稳定性和熔池冶金行为产生显著影响，硼酸的引入削弱了电弧稳定性，并改变了焊缝几何形状和力学性能。关于硼酸环境下水下激光焊接焊缝质量的研究仍然稀缺。

此外，核电厂中的水下奥氏体不锈钢部件在高温高压含硼水环境中运行，此类苛刻条件对接头质量、力学性能和耐腐蚀性提出了极为严格的要求。因此，对激光焊接工艺、焊缝组织和凝固行为的精确控制至关重要。迄今为止，已有大量研究探讨了奥氏体不锈钢的水下激光制造，但多数工作侧重于工艺参数对组织[14]、力学性能[15]和耐蚀性[16]的影响，对核心技术挑战的认识有限。两大问题仍未解决。在匙孔激光焊接过程中，气孔缺陷频繁出现在不锈钢焊缝中，严重损害接头完整性[6]，[17]。激光熔池的凝固模式也难以精确调控。与水下电弧焊相比，激光焊接的高冷却速率大幅改变了焊缝铁素体含量、形态和枝晶间距，从而降低了焊缝整体性能。

超声波[18]和磁场[19]等外场辅助技术已被用于改善接头力学性能。保护气体是不锈钢激光焊接的关键参数，对凝固行为和焊缝性能有强烈影响。氩气和氮气是最常用的保护气体。氩气化学性质惰性，而氮气是可解离的分子气体。作为占据面心立方晶格八面体间隙位点的间隙原子，氮是一种有效的奥氏体稳定化元素。它还能溶解于液态金属中与Cr、Ti、V等活性元素反应形成氮化物[20]。已有研究表明，在保护气中适当加入氮气可有效抑制气孔[21]。然而，作为强奥氏体化元素，即使微量氮也能显著改变熔池凝固模式和相比例，从而影响焊缝铁素体含量和抗裂性。氮通过固溶强化提高了抗拉强度和耐点蚀性能，并通过抑制铁素体形成来稳定奥氏体焊缝组织[22]。

基于上述效应，N2-Ar混合保护气体可为304L不锈钢水下焊接中的组织与性能控制提供策略[23]。然而，水下局部干式环境引起复杂的冶金反应和非平衡凝固，熔池和焊缝组织的演变与空气中焊接截然不同，相应的调控机制尚不明确[24]。过高的氮含量可能促进晶界氮化物析出并导致焊缝脆化[11]，[25]，而氮含量不足则无法稳定奥氏体或优化焊缝组织[26]，[27]。目前，关于水下激光焊接过程中氮溶解、凝固模式演变和相比例调控的研究仍然稀缺，留下了明显的研究空白。现有的N2-Ar混合保护气体研究大多局限于空气焊接和双相不锈钢体系。Wang等[21]，[28]表明，双相不锈钢焊接时采用纯氮保护可补偿氮损失、调控相平衡、优化晶界结构，从而显著提高S32101接头的冲击韧性和耐腐蚀性。相比之下，关于304L不锈钢局部干式水下激光焊接的研究仍然有限，焊缝金属中的氮溶解行为、接头组织演变及其对接头性能的影响尚未得到系统揭示[29]。

本研究针对模拟含硼水中N2-Ar不同比例保护气体条件下的304L奥氏体不锈钢局部干式水下激光焊接展开研究，系统评估了保护气体组成对焊缝成形、吸氮量、气孔形成、组织演变、力学性能和耐腐蚀性的影响。此外，以纯N2保护下的淡水作为参考，评估在直接可比条件下模拟含硼水环境的影响。基于所研究的范围，确定了最有利于焊缝质量保护气体条件，为奥氏体不锈钢部件局部干式水下修复中的保护气体选择和工艺优化提供了实验依据。

### 1 材料

本研究所用的基板为304L奥氏体不锈钢板，尺寸为200 mm×60 mm×10 mm。填充材料为直径1.2 mm的ER308L焊丝。基板和填充材料的化学成分见表1。

### 2 焊接设备与焊接工艺

焊接试验在局部干式水下激光焊接系统上进行，实验装置示意图见图1。基板加工为60° V形坡口，每个坡口均被填充满。

### 3 排水性能

排水性能通过CFD软件模拟局部干腔的形成进行评估，重点关注排水罩及其关键流道结构。三维计算网格见图3(a)，图3(b)展示了排水过程中的气体入口布置和三维流线。排水罩上部设置了一对对称的内保护气入口，中部分布了四个切向排水气入口。

## 结论

本研究考察了含硼水环境中304L奥氏体不锈钢的局部干式水下激光焊接，系统评估了N2/Ar保护气体比对焊缝成形、吸氮量、组织演变、力学性能和电化学腐蚀行为的影响。主要结论如下：

设计的排水装置成功建立了稳定的局部干腔，并为焊接区域提供了有效隔离。

### CRediT作者贡献声明

李宏亮：撰写–审阅与编辑、监督、资源。赵瑞：撰写–审阅与编辑、调查。于政：软件、调查。王鹏飞：调查。夏宏波：方法学、调查。韩凯：数据整理。王丹：项目管理。朱强：方法学。王继达：形式分析。

### 利益冲突声明

作者声明他们没有可能影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。

### 致谢

感谢国家自然科学基金（批准号51905225）、中国博士后科学基金（批准号2023M74095）、江苏省研究生研究与实践创新计划项目（批准号SJCX25_2462）以及核动力安全技术及装备国家重点实验室开放基金（编号SKL2025-TS-06）对本研究的经费支持。

李宏亮 | 赵瑞 | 于政 | 王鹏飞 | 夏宏波 | 韩凯 | 王丹 | 朱强 | 王继达