CAP1400为我国具有自主知识产权的大功率核电技术,核主泵采用屏蔽式电机,其中,屏蔽套端部密封焊接可靠性是保证核主泵安全运行的关键。目前核主泵屏蔽套端部密封主要采用引进于美国AP1000的弧焊工艺。为进一步提高焊接接头的焊接质量,同时加快我国大功率屏蔽式核主泵构件的自主化制造进程,采用脉冲激光实现了核主泵屏蔽套及端盖/法兰盘用异种金属(HastelloyC-276及304不锈钢)的密封焊接。通过焊缝形貌、微观组织结构及接头性能三方面研究,对用于核主泵屏蔽套端部密封的异种金属激光焊接工艺进行评价分析,揭示了异种金属焊缝成形机理及微观组织结构演化机制,并实现了焊接接头力学及耐蚀性能的调控;针对激光焊接焊缝组织及性能的部分缺陷,提出随动超声辅助异种金属激光焊接新工艺,实现了焊缝组织及性能的进一步优化。本研究为核主泵屏蔽套的端部密封焊接制造提供了理论基础及新工艺参照。主要研究内容及结果如下:(1)分析激光焊接工艺参数对焊缝形貌的影响规律,确定了基于良好焊缝形貌的焊接工艺参数范围,提出了焊接工艺参数初步优化准则,实现了核主泵屏蔽套端部密封用Hastelloy C-276及304不锈钢异种金属的良好焊接成形。基于有限元温度场分析,建立了焊缝几何特征预测模型,探索熔池温度场演化规律,发现单脉冲作用周期内熔池的冷却速率最高可达4x106℃/s,且脉冲能量及焊接速度分别为熔池峰值温度及存在时间的最显著影响参数;利用高速相机对焊接过程进行实时监测,发现单脉冲作用周期内熔池凝固所需时间约为25 ms,小于脉冲周期,同时熔池表面金属蒸汽呈周期性膨胀,周期约为3 ms。(2)利用扫描电镜、透射电镜、电子探针和X射线衍射仪等手段分析焊缝内显微组织、元素分布及相结构特征。研究发现,焊缝内无明显热影响区、且晶粒组织显著细化,但焊缝与304不锈钢母材交界处存在未熔合缺陷;焊缝内存在元素宏观及微观偏析现象;焊缝内主要相结构仍为奥氏体相,但存在富Mo元素的晶间析出相,其析出导致了宽度约为30 nm晶间贫Mo区的产生。获得了焊缝元素名义含量及主要相结构的预测模型,发现随着304不锈钢母材稀释率的提升,焊缝内未熔合区宽度缩小,Mo元素名义含量下降,Mo元素偏析程度上升,析出相含量降低。建立稀释率与焊缝微观组织结构的关系,实现了基于稀释率的焊缝微观组织结构调控。(3)通过拉伸-剪切、机械撕裂、显微硬度、电化学腐蚀等实验方法对焊接接头的力学及耐蚀性能进行评价。分析稀释率对焊接接头性能的影响规律发现,随着稀释率的提升,接头的强度及整体耐蚀性呈下降趋势。研究焊缝形貌及微观组织结构对接头性能的协同影响规律,获得了最优接头性能对应的焊接工艺参数,此参数下,接头的抗拉伸-剪切及抗机械撕裂性能最强,屈服强度约为HastelloyC-276母材的124%,焊缝的显微硬度不低于异种母材,整体耐蚀性与HastelloyC-276母材接近,但接头的抗拉强度约为Hastelloy C-276母材的83%,焊缝晶间耐蚀性较异种母材略有下降。(4)搭建随动超声辅助异种金属激光焊接系统,分析超声对焊接熔池熔凝行为及元素扩散规律的影响机制,发现随着超声的施加及其功率的增大,熔池峰值温度及平均冷却速率提升,熔池内元素扩散速率加快。分析超声对焊缝组织及性能的影响规律发现,随动超声的施加及其功率的增大,焊缝未熔合区宽度缩小;等轴晶粒平均半径最小降低至0.55 μm,约为纯激光焊接的一半;Mo元素偏析被抑制,析出相含量最小降低至0.62%;元素宏观分布均化;焊接接头力学性能提升、焊缝晶间耐蚀性显著增强,最终实现了焊缝微观组织结构的改善及接头性能的进一步提升。