Al₂O₃陶瓷材料在航空航天、油气运输管、冶金及化学工业等领域都有着无可比拟的应用价值。陶瓷复合管连接特别是Al₂O₃陶瓷内衬层的连接难题一直制约着陶瓷材料在油气运输管方面的发展。内衬层尺寸及高熔点使其很难在马弗炉中进行焊接,同时陶瓷脆性大、耐热性较差,在焊接温度分布不均的情况下,陶瓷材料很容易由于热冲击过大而影响焊接质量甚至发生断裂,很难对陶瓷内衬直接对焊。因此,本文创新性地进行了半导体激光填料焊接Al₂O₃陶瓷内衬技术基础研究。本文研究工作对于促进我国石油行业发展“一带一路”具有较为积极的理论和实用价值。本文主要的研究内容如下:（1）进行了半导体激光填料焊接Al₂O₃内衬陶瓷的实验理论研究。通过XRD、EDS分析,Al₂O₃陶瓷衬底的组织结构主要包含SiO₂、铁铝合金相Al₈₂Fe₁₈及少量的铁铝尖晶石相FeO·Al₂O₃,确定采用70wt.%Al₂O₃-30wt.%SiO₂的莫来石配方作为基础焊料。研究了焊料宽度对焊缝形貌的影响,当焊料宽度小于2mm时,焊缝出现宏观裂纹,当焊料宽度2mm-2.5mm时,焊缝处未发现宏观裂纹,但存在气孔等缺陷。这是由于当焊料宽度较小时,部分激光能量直接作用于脆性衬底,从而对焊缝区引入缺陷。当焊料宽度达到光斑直径3mm时,焊缝处无气孔,衬底中无宏观裂纹。研究了激光功率和焊接速度对焊缝成型质量的影响,随着激光线能量的增加,焊接熔深先缓慢增加然后急剧增加。当焊料宽度为3mm,激光功率为700W,激光扫描速度为1mm/s时,可获得5mm焊接熔深,焊缝成型质量良好。（2）基于多物理场数值模拟软件Multiphysics Comsol建立了半导体激光填料焊接衬底Al₂O₃陶瓷的多物理场有限元模型,根据莫来石焊料建立了填料焊接的“三明治”结构模型,分析了激光焊接陶瓷的热源模型、热源加载的方法以及模型的边界条件,进行了温度场和应力场的多物理场耦合。分析测试了基材和焊料热物性,重点研究了焊料宽度、激光功率以及激光扫描速度对焊接熔深的影响以及对Al₂O₃陶瓷衬底焊接热应力的影响。数值计算结果表明:随着焊料宽度的增加衬底中的热应力逐渐减小。随着激光功率增大或激光扫描速度的减小,焊料底面最低温度、平均温度以及衬底处热应力逐渐增加。通过分析和比较数值计算结果,获得了较好的焊接工艺参数。（3）首次引入了Al₂O₃-MgO-SiO₂作为半导体激光陶瓷内衬焊接的焊料,研究了MgO含量对焊料性能的影响。实验结果表明:在莫来石焊料中添加MgO能促进晶粒生长,提高焊料致密度,减少气孔缺陷。焊料结晶相逐渐从莫来石相结晶区移至尖晶石相和蓝宝石相结晶区,Mg₄Al₁₀Si₂O₂₃和MgAl₂O₄逐渐增加。当MgO含量为15wt.%时焊料致密度达到最大值93.4%,焊料对激光的吸收率增加到14.82%,焊料的强度达到100MPa左右,焊料与界面的润湿角减小到29°,焊料常温到1000℃的热膨胀系数约为8×10^-6/℃,与衬底热膨胀系数(8.0-8.3×10^-6/℃)相近。（4）研究了Al₂O₃-MgO-SiO₂焊料中MgO含量对焊接性能的影响。随着MgO含量的增加,显著增强了焊接过程中界面的原子扩散和替换反应,在焊缝处生成“类质同象混晶”（Mg,Fe）Al₂O₄,这种混相结构可提高焊料与衬底的结合质量。焊接熔深随着MgO含量的增加,先基本恒定后后急剧减小。特别是当MgO含量为20 wt.%时,焊接熔深减少到3.42mm,这是由该焊料过高的熔点（²000℃）而吸光度相对较低（⁸.5%）导致的。测试分析了MgO含量在0-15wt.%范围内变化的焊后接头性能,发现随着焊料中MgO含量的增加,接头的结晶度逐渐提高,接头中晶粒晶界逐渐模糊,从而提高了接头致密度。当焊料配比为70wt.%Al₂O₃-15wt.%MgO-15wt.%SiO₂时,接头性能最佳,接头致密度达到96%,接头的最大弯曲强度达到168MPa,超过基材强度（200MPa）的80%。在pH为0.45的HCl溶液中浸泡24小时后,接头失重为0.62 mg/cm²,低于0.78mg/cm²的陶瓷衬底失重。（Mg,Fe）Al₂O₄的存在使得接头软化温度超过1500℃,因此在焊接复合管外层钢管（熔点约1400℃）时,内衬陶瓷层接头仍能够保证可靠的性能从而有效避免了实际使用环境下的酸腐蚀。