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本研究采用万瓦级激光焊接平台针对我国可控核聚变实验堆项目结构材料CLF-1钢,在最佳工艺参数(激光功率10kW、离焦量0mm、焦点直径0.3mm、焊接速度2m/min及保护气体(Ar)流量20L/min)下,实现了 10mm板厚CLF-1钢的I形坡口激光自熔焊和在坡口上部添加不同量Ta片(Ta含量分别占焊缝体积为0.128%、0.256%及0.384%)的I形坡口激光自熔焊接,均获得了正反面成型良好,并无冶金缺陷的焊接接头。焊后对不加Ta焊接接头进行了(1)740℃/1.5h/空冷(AC)(简称为PWDT)和(2)980℃/45min/AC+740℃/1.5h/AC(简称为PWNT)两种不同条件焊后热处理,系统分析了母材及不同条件下焊缝金属的显微组织及力学性能,同时研究了 Ta元素对焊缝金属组织与性能的影响规律。试验结果表明,CLF-1钢供货状态组织由回火板条马氏体与弥散分布在原始奥氏体晶界和板条马氏体边界的M23C6型碳化物构成,板条马氏体内部存在网格状位错及弥散分布MX型碳化物,由于弥散强化、细晶强化、析出强化及位错强化等多种方式强化作用结果,使得CLF-1钢具有优良的物理化学特性。由于激光焊接加热和冷却速度快,属于非平衡状态下相变过程,未加Ta的焊态焊缝金属主要由大量板条马氏体及包晶反应过程不充分而残留下来的δ-铁素体(δ-Fe)组成。PWDT态焊缝金属组织由大量回火马氏体、少量残留δ-Fe及微量弥散分布的M23C6型碳化物构成。PWDT态焊缝金属组织由大量回火马氏体和微量弥散分布的M23C6型碳化物构成,虽然焊缝金属中残留δ-Fe消失,但是回火马氏体及M23C6型碳化物尺寸较母材均有所长大,导致其冲击功小于母材金属。由于熔池有限搅拌作用导致Ta元素在板厚方向上分布不均匀,三种含量加Ta焊缝均表现为上部Ta含量最高、中部Ta含量次高及下部Ta含量最低;随着Ta含量增加,焊缝上部及中部铁素体增多且晶粒越来越大,焊缝下部残留少量δ-Fe。在0.128%Ta上部焊缝组织中发现有较多的MX型碳化物析出,当Ta添加含量为0.384%时,其上部组织马氏体消失,由粗大的铁素体组成。未加Ta的焊态、PWDT态及PWDT态焊缝硬度分别416HV、272HV及200HV。0.128%Ta、0.256%Ta及0.384%Ta焊缝中均表现为下部硬度值最高、中部硬度值次高及上部硬度值最低,随着Ta含量增加,焊缝金属硬度逐渐降低。焊态、PWDT态、PWDT态及加Ta焊接接头的室温拉伸试样均断裂在远离焊缝中心的母材处,说明其力学性能均超越了母材。未加Ta的焊态焊接接头冲击功(～40J)约为母材(～235 J)的17%、PWDT态(～117.5J)约为母材的50%及PWDT态(～154J)约为母材的65%。当Ta添加量为0.128%时,焊缝金属上部MX型碳化物析出量增加,起到了弥散强化效果,但是由于残留了大量δ-Fe,使焊缝金属的室温冲击功(27J)较未加Ta的焊缝金属有所下降,当Ta添加量为0.256%和0.384%时,室温冲击功下降明显,分别为12J和8J。