水下焊接是核电工程重要的关键修复技术,尤其是日本福岛核事故之后,世界各国都对其在役的核电设备修复提出了更高要求。由于激光焊接具有系统易于集成、控制精度高、热输入较低、热影响区小、残余应力水平低等优点,使得水下激光焊接技术越来越成为核电设备维修的首选方法。然而,由于技术封锁保密等原因,水下激光焊接技术可查的数据较少,且缺少对其焊接工艺、组织、硬度、力学性能及断裂行为等较为系统的研究,尤其在激光光束质量方面的研究甚少。本文针对核电设备应用较多的AISI304不锈钢开展了水下激光焊接研究。首先搭建了水下激光修复试验平台,分别在湿法及局部干法情况下,研究工艺参数对激光光束质量的影响机制,及其对焊缝熔宽、熔深的影响规律;随后针对局部干法水下激光焊接方法,详细分析了等厚板(1.0/1.0 mm)及不等厚板(1.5/2.0 mm)对接焊时,激光光束质量及焊接工艺参数对焊缝成形性能、微观组织、硬度、力学性能及断裂特征的影响。湿法水下激光修复时,水中气泡的散射和折射作用以及水面扰动加剧激光光束质量的衰减。随着水深的增加,焊缝熔深逐渐减小,熔宽先增加后减小。局部干法水下激光修复时影响修复质量的主要因素有气体压力、气溶胶粒子的散射和折射作用以及气体密度分布;随着水深及保护气体流量的变化,对修复效果起决定作用的因素随之改变。在1.0/1.0 mm等厚板对接焊时,与普通激光焊接方法相比,局部干法水下激光焊得到的接头组织不同,焊缝硬度增加,焊缝组织主要是奥氏体和少量板条状δ-铁素体,而前者主要为奥氏体和少量丝带状的δ-铁素体。根据不同水深,选择合适的保护气体流量,可以获得与母材力学性能相当的接头;焊缝HAZ和熔合区是断裂发生的敏感区域。针对1.5/2.0 mm不等厚板对接焊,当激光光束居中时,获得的接头具有最大的抗拉强度;光斑位置偏向厚板时,接头抗拉强度最小。焊缝中心为等轴晶区,主要由奥氏体和少量铁素体组成;焊缝中心两侧的组织并不对称,厚板侧柱状晶区宽度大于薄板侧柱状晶宽度。