锆合金格架是核反应堆芯中的重要组件,其制备技术及服役过程中耐腐蚀性是实现高燃耗的关键因素。锆合金化学性质活泼,焊接过程中对气氛中水氧非常敏感,因此格架焊接需在充氩舱中进行,但是多焊点连续焊接过程中舱室内热量和烟尘排出是保证焊点质量的首要问题。此外,为避免磨损燃料棒及降低冷却介质的压降差,需严格控制格架中交叉焊点的尺寸。更为关键的是,激光焊接后焊点的组织与锆合金母材相比差异较大,焊点的耐腐蚀性成为制约格架服役性能的关键因素。本文针对锆合金格架结构,开展锆合金交叉焊点多脉冲激光点焊工艺及焊点氧化膜生长机制研究,基于数值模拟技术优化充氩舱内保护氩气的流动行为,保证焊接气氛达标;提出多脉冲激光点焊的方法严格控制焊点尺寸,确定控制交叉焊点尺寸的关键激光工艺参数及优化的工艺区间;分析激光作用下快速凝固条件对锆合金材料微观组织的影响;开展锆合金焊点高温高压蒸汽环境下腐蚀后氧化膜特性研究,分析焊点耐腐性较母材降低的原因,揭示激光焊点表面氧化膜的生长机制,并提出可改善其耐腐蚀性的措施。提出采用科恩达空气刀调节舱室内气流行为,设计固定和可旋转两把空气刀结构提升舱室换气量,使一部分射流气附着于工件表面上流动,实现焊接过程中工件表面的可靠保护和快速冷却。设计主排气口与辅助排气口相配合的结构在焊前快速降低舱室中的水氧含量,加速焊接过程中舱室的换气与散热。当可旋转Coanda空气刀角度为30-45°,进气流量为60-120 L/min时,获得了最优的气体流动形态。为实现格架焊点尺寸的精确控制,提出了多脉冲激光点焊的方法,确定了控制交叉焊点尺寸的关键激光工艺参数及优化的工艺区间。为获得熔宽及余高满足要求的焊点,需采用适当较大的脉冲峰值功率和脉冲个数,以及较小的脉冲宽度。得到了优化的工艺参数:脉冲激光的单脉冲能量约为22-27 J,脉冲宽度约为6-9 ms,脉冲个数为4-7个。激光作用于锆合金后,焊点晶粒尺寸增大,原母材中第二相粒子β-Nb和Zr(Nb,Fe)2消失。焊点经过退火处理后,晶粒取向一致性增加,在柱状晶内和晶间析出第二相粒子β-Nb和Zr(Nb,Fe)2,原焊点组织中残留的β-Zr相发生分解,转变为α-Zr相和β-Nb相。进一步,揭示了锆合金激光焊点氧化膜生长机制,发现氧化膜组织相转变和第二相粒子是影响氧化膜生长的主要原因。焊点表面氧化膜/基体金属界面起伏度较小,界面处的应力降低,促进了界面及氧化膜内四方Zr O2相向单斜相ZrO2相转变,加速了腐蚀介质中氧向基体金属的扩散速率,使氧化膜的生长速率加快;另外激光作用后,原母材中耐腐蚀性能高于基体α-Zr相的第二相粒子消失,加速了焊点表面氧化膜的生长。采用650℃保温时间150 min的退火工艺,促进了焊点内耐腐蚀性能更好的第二相粒子析出,抑制焊点表面氧化膜的生长,改善焊点的耐腐蚀性。