在极端辐照与高温条件下，反应堆偏滤器表面温度可高达数千度，传统焊接工艺早已力不从心，而一项创新的激光焊接技术正在改变这一局面。
一枚偏滤器链节在聚变反应堆中必须承受约20兆瓦/平方米的循环热负荷和高剂量辐射，其性能直接关系到整个反应堆的运行安全和效率。
传统焊接方法在连接钨与铜合金时，因材料间巨大的热膨胀差异，常常导致接头在热循环下失效，成为制约核装置寿命的瓶颈。
01 核应用关键材料
核工业领域对金属材料的要求堪称苛刻，材料必须在极端辐照、高温高压和腐蚀环境下保持稳定性能。这些精密器件所用的金属材料各具特色，构成了核能安全的重要基石。
- 钨及钨合金：是面向等离子体部件的首选材料，其高熔点、优异的抗热负荷和抗辐照性能，使其成为聚变反应堆偏滤器等关键部件的不二选择。
- 锆合金：作为核燃料包壳的首选材料，具有优异的耐腐蚀性能和耐辐照性能。
- ODS钢（氧化物弥散强化钢）：因出色的高温力学性能、抗辐照性能和抗热蠕变性能，被认为是下一代核反应堆包壳的潜力候选材料。
- 不锈钢：家族中的304L奥氏体不锈钢以其耐腐蚀、抗辐照、长寿命等特性，广泛应用于燃料组件、压力容器等核反应堆核心部件。
02 焊接性能与挑战
核应用金属材料的焊接工艺直接关系到设备的安全运行和使用寿命。这些材料在焊接过程中面临诸多独特挑战：
- 锆合金：传统熔焊容易引起材料成分局部变化，导致接头处形成聚集的脆性化合物，并可能产生缺陷，从而削弱焊接头的力学性能和耐腐蚀性能。
- ODS钢：焊接过程中必须抑制纳米氧化物的析出、长大和团聚，否则会严重影响材料性能。
- 异种材料组合（如钨与铜合金）：不同材料的热膨胀差异会导致焊接接头在热循环下失效，从而缩短部件寿命并降低设备可用性。
03 激光焊接优势
面对核应用领域精密器件的严苛焊接要求，激光焊接技术展现出独特的优势：
- 热输入量极低：热影响区金相变化范围小，因热传导所导致的变形也降到最低。
- 非接触式焊接：使设备损耗及变形降至最低，激光束易于聚焦、对准和引导。
- 适用性广：可焊接小型且间隔相近的部件，可焊材质种类范围大，亦可接合各种异质材料。
- 针对高反射材料的突破：例如蓝光激光焊接技术，使铜焊接所需能耗比红外激光器大幅降低。
- 有效解决气孔问题：如铝合金激光摆动焊接，通过搅拌熔池加速气泡逸出，降低气孔率。
04 核聚变材料焊接突破
在核聚变应用领域，激光焊接技术正推动材料连接方式的革新：
- 激光增材制造技术：成功实现近乎无裂纹、高致密度的钨结构打印，能够制造内含随形冷却流道的复杂几何部件。
- 整体式部件制造：以连续顺畅的导热路径取代了传统薄弱的分区连接，显著延长部件寿命、降低连接点风险。
- 激光压力焊：利用金属材料对激光的高反射特性，将能量导向焊接区，使表层金属加热熔化，并在压力作用下实现焊接，有效抑制脆性金属间化合物的形成。
05 行业应用与未来
激光焊接技术正在核能、航空航天等多个高精尖领域展示其价值：
- 核工业领域在“零缺陷、高可靠”标准下，增材制造技术成为关键突破口。
- 国际合作的创新中心（如CEA与尼康合作）正加速金属增材制造在关键工业领域的应用。
- 在航空航天领域，激光焊接提供了轻质结构和高强度的完美结合，可处理铬镍铁合金、钛合金等高难度材料，且符合严格的飞行安全认证。
合肥工业大学研发的核聚变用高性能钨基材料已成功应用于我国核聚变工程堆，这些材料具有优异的力学、导热和抗辐照性能。
在核聚变反应堆中，偏滤器作为面向等离子体的第一壁材料，需要承受最严苛的热负荷和粒子轰击。当反应堆运行时，这里的金属材料必须保持结构完整性和热传导能力，而激光焊接技术恰恰提供了连接这些特殊材料的最佳解决方案。
