高功率光纤激光焊接技术是近年来高速发展起来的一种高效率厚板连接方法,由于其具有功率密度大、柔性好以及适用面广等特点,在大型构件特别是核电装备制造领域具有广阔的前景。其中激光自熔焊是效率最高的一种激光焊接类型。目前对不锈钢中厚板高功率激光单道深熔焊接工艺的研究较少,缺乏系统性研究,无法为工程应用提供足够的指导。此外,能为工艺优化试验提供帮助的焊缝成形预测目前缺少针对高功率光纤激光自熔焊的简便且适用于工程应用的解析数学模型。本文采用单变量法和均匀设计法设计试验方案、并分析采集到的焊缝成形和硬度等数据,对焊缝成形规律及其解析模型预测开展系统性的研究,并分析焊接接头的力学性能表现。本文采用15kW高功率光纤激光焊机,试验材料为核电设备焊接中具有代表性的304型奥氏体不锈钢。首先通过单变量法和一元线性回归分析来观察高功率激光自熔焊的激光功率、焊接速度、焊接热输入对焊缝成形的影响和线性相关性,并根据结果确定均匀设计的回归方程结构。考虑到实际焊接应用中的焊接位置变化和接头可能存在坡口,进一步考察了平焊无坡口、横焊无坡口以及横焊有坡口这三种焊接状态对焊缝成形的影响。单变量法焊接试验和分析结果表明,激光功率、焊接速度以及焊接热输入与焊缝熔深、熔宽均呈一定的线性相关关系。并据此获得了针对均匀试验回归分析的标准回归方程结构。通过对均匀设计试验结果的直观分析和回归分析,分析了激光功率、焊接速度以及焊接热输入与焊缝熔深、熔宽以及硬度的关系,并获得了焊缝熔深和熔宽的关系的回归模型。随后分别在6kW的激光功率和50mm/s的焊接速度下进行了全面试验来验证上述回归模型。结果表明,验证试验的实测值与回归方程的计算结果吻合良好,证明本研究获得的回归模型在实际应用中具有非常显著的指导作用。基于所建立的焊缝成形的回归预测模型,理论分析了焊接参数对焊缝成形的影响规律,分析表明:焊缝熔深和熔宽与激光功率呈正比,与焊接速度呈反比,低焊接速度下,焊缝熔深和熔宽的变化较快;平焊位置的熔深一般大于横焊位置,但低焊接速度下,横焊位置的熔深增加速度明显大于平焊位置,直至在极低焊接速度下熔深大于平焊位置;有坡口焊缝的熔深在高焊接速度下大于无坡口焊缝,在低焊接速度下反而因熔宽的过度增加引起熔深的减小。