304不锈钢以优良的耐蚀性能和良好的机械加工性能而在核电工业中得到广泛的应用。对304不锈钢大型结构厚板的焊接,成为核电装备制造中的一道关键的技术。传统的弧焊焊接变形大,焊工的劳动强度大,效率低。高功率激光深熔焊技术在包括核电装备在内的大型结构制造业中得到推广应用。激光深熔焊具有大的深宽比、小的热影响区及焊接变形、高的效率等优点,而高功率的光纤激光由于光束质量高及加工柔韧性好等特点在厚板的焊接领域中受到广泛关注。然而,使用高功率激光焊接304不锈钢厚板时,由于激光能量的损耗,焊接熔深会受到一定程度的影响;另外,焊接时会有飞溅、气孔、焊缝背部焊瘤等缺陷的产生,对焊缝成形和焊缝质量造成极大影响。基于上述应用背景和实际焊接时所存在的问题,本文对高功率光纤激光焊接304不锈钢能量的利用和损耗进行计算,揭示小孔所吸收的能量对焊缝尺寸的影响规律;提出提升激光能量利用率及焊缝熔深的方法,对相关机理进行阐释;对缺陷产生进行研究,阐明不同条件下缺陷的产生规律,采取措施抑制缺陷。通过本文的研究,为光纤激光焊接厚板在工业中的应用提供实际和理论的指导。首先,研究光纤激光焊接304不锈钢时焊接模式从热导焊转变为深熔焊的过程,揭示不同焊接模式下所对应接头尺寸及羽烟的规律,诠释激光焊接模式发生转变的根本原因,得到光纤激光焊接304不锈钢热导焊和深熔焊的临界值为0.97kW/mm。研究激光深熔焊中小孔的形成和维持过程,阐明焊接过程中小孔深度保持稳定的机制,分析影响穿孔速度的主要因素;研究光纤激光焊接304不锈钢小孔内外金属蒸气的物理性质,分析羽烟对激光能量的耗散原因,使用物理模型计算羽烟对于激光能量的损耗,得到金属蒸气由母材元素的气化后团聚而形成的纳米级的颗粒物组成,尺寸从数十纳米到上百纳米,电离度在1%以下,颗粒物的浓度达10²⁰cm^-3级别,纳米颗粒散射和吸收激光,对羽烟的能耗可达19%。研究高功率光纤激光焊接304不锈钢时激光功率、焊接速度、离焦量、光束偏转角度等工艺参数对焊缝成形及能量传输的影响,揭示不同工艺参数下焊缝尺寸、孔外羽烟、深熔小孔的变化规律,并从理论上计算不同条件下小孔对于光束能量的吸收和损耗,深刻阐明不同工艺下焊缝的形貌和尺寸、能量的利用和损耗、金属羽烟的行为、光束与深熔小孔相互作用的内部联系。综合分析得到功率10kW、焊速1m/min下焊接不锈钢,各部分对能量的利用和损耗,包括用来熔化母材的能量为53%,熔池过热所消耗的能量为16%,通过热传导而耗散的能量为14%,金属羽烟对能量的损耗为19%。研究光纤激光焊接304不锈钢时不同焊接熔深下激光吸收的变化规律,阐示焊缝对于激光能量吸收随熔深变化的判据,并对不同熔深下所对应的焊接过程及能量的吸收与损耗进行深入的分析。其次,基于激光深熔焊中能量利用和损耗的分析,对传统激光焊接工艺加以改进来提升高功率光纤激光焊接304不锈钢的能量利用及焊缝熔深。第一,采用特定的侧吹气体装置,精确的对小孔中心进行吹气,揭示不同气体流量对于焊缝成形、焊缝尺寸、金属羽烟、小孔行为的影响规律,诠释侧吹气体作用下焊缝熔深提升的机理;得到侧吹气体抑制光束方向上金属羽烟的高度和浓度,增加小孔开口的大小及稳定性,并改变熔池的流动状态,促进激光能量的吸收,激光功率10kW下使用该方法使得熔深最高提升37%。第二,在试样表面加工特定尺寸的坡口,揭示不同坡口尺寸对于焊缝成形及焊缝尺寸的影响规律,分析不同坡口尺寸下金属羽烟和熔池流动行为,计算了不同坡口下羽烟的能耗,阐释坡口存在提升熔深的机理;得到坡口的存在使得羽烟得到极大的抑制,小孔入口处的熔池金属流动方向从坡口边沿向小孔中心流动,促进熔深的增加,使用该方法使得10kW下熔深最高提升25%;该方法成功实现了激光功率10kW下16mm厚的304不锈钢的焊接,并应用到工业生产中。第三,在接头之间预置一定尺寸的间隙,揭示不同间隙对于焊缝成形及接头尺寸的影响规律,分析不同间隙下金属羽烟、深熔小孔的产生以及维持过程中的行为,诠释适当间隙存在下熔深提升的机理;得到间隙的存在可以加快深熔小孔的形成,极大的促进激光向小孔深处传输,抑制孔外金属羽烟,熔深有显著增加,10kW下熔深最高提升80%。最后,对焊缝内部的气孔、焊缝表面的飞溅、焊缝背部的驼峰三方面缺陷进行研究。对于焊缝内部的气孔,揭示不同工艺条件下气孔的特征和形成规律,制定消除激光焊接304不锈钢焊缝内部气孔的措施,从热力学和动力学的角度对气孔消除的机理进行了诠释;得到氮气为保护气体可以完全消除焊缝内部的气孔,气孔消除的原因是由于焊接过程中气泡中氮的溶解。对于焊缝表面的飞溅和焊缝背部的驼峰,分别揭示这两种缺陷产生的规律,阐释导致这两种缺陷产生的机理,并提出抑制这两种缺陷的方法。