高强钢凭借其优异的强韧性匹配和良好的焊接性能，已成为油气长输管道、海洋工程结构、工程机械及水力发电等领域的关键结构材料。作为焊接接头组成部分的焊缝金属，其微观组织和力学性能直接影响高强钢整体焊接结构的服役安全性和可靠性。焊缝金属的凝固行为和相变过程是控制其微观组织和力学性能的关键因素。本文聚焦于多元合金元素协同作用、焊接工艺参数设计及焊后热处理制度制定等三个关键方面，综述了高强钢熔化焊焊缝金属组织设计和强韧化机制的研究进展，从成分配比和工艺参数的角度理解焊缝金属强韧性倒置的关系。并对相关领域近年来的研究进展进行了评述和展望，为1000 MPa级及以上级别高强钢焊材研发及高强钢焊缝金属制备提供理论参考。

冷喷涂技术因具有低温固态沉积特性，在高性能金属或金属基复合涂层制备、修复及增材制造领域已有重要应用。然而，原始喷涂粉末的表面氧化状态对冷喷涂粒子沉积过程及所制备涂层或沉积体的微观组织、界面结合质量和力学性能具有重要影响。一般来说，粒子表面氧化膜的存在增加了粉末的临界沉积速率，降低了粒子塑性变形能力，并在界面处形成未结合区或脆性夹杂，从而显著影响粉末的沉积效率和沉积体的力学性能。然而，在特定条件下，粉末表面的氧化膜经过碰撞作用而破碎，不连续的氧化膜均匀分布在涂层中，通过弥散强化能够提高涂层的硬度。本文主要综述了粉末表面氧化膜在喷涂沉积过程中的破碎行为及其对涂层微观组织和性能的影响，重点探讨了氧化膜对界面结合、涂层组织及性能的影响机制。此外，本文还提出了高强塑性沉积体对粉末低O含量的严格要求，为优化冷喷涂材料性能提供理论指导。最后，对粉末表面氧化膜在冷喷涂增材制造中的影响及未来研究方向进行了展望。

电弧增材制造(WAAM)技术因其制造成本低、沉积效率高、成形构件无尺寸限制等特点，成为大型复杂构件一体化制造最具潜力的技术之一，尤其适用于焊接性能优异的Al-Mg-Sc系合金。基于此，本文详细综述了WAAM成形Al-Mg-Sc系合金的研究进展，包括冶金缺陷、微观组织和成形性能。在WAAM中，通过优化丝材成分、打印工艺和引入层间搅拌摩擦加工(FSP)均能有效降低气孔率，改善微观组织和提升合金性能。成形合金最低气孔率约为0.026%；由于Sc强烈的微合金化作用，微观组织均为等轴晶，平均晶粒尺寸约为10 μm，成形合金表现出优异的性能，直接时效后，合金最高抗拉强度可达470 MPa，且具有优异的塑性。然而，WAAM专用Al-Mg-Sc系合金丝材的研发、冶金缺陷形成的内在机理、粗大微米级Al₃(Sc_{1 - x}, Zr _x )相的调控以及多性能的探究仍需进一步解决。最后，基于机器学习在智能制造中的优势，对未来机器学习在WAAM成形中的应用进行了展望：正向性能预测与逆向成分/工艺求解，从而加速WAAM专用高强度铝合金丝材研发，并降低生产成本、缩短研制周期。

钼合金作为一种高性能难熔金属材料，在高温、辐照等极端服役环境下具有巨大的应用潜力。鉴于钼合金所处的极端服役环境，高温蠕变性能是其最重要的评价指标之一。然而，焊后钼合金焊接接头的高温蠕变性能急剧下降，严重阻碍了钼合金结构件的推广和应用。本文主要总结了钼合金母材的蠕变机理，重点分析了钼合金焊接接头蠕变性能下降的原因，并归纳了国内外研究中改善接头性能的方法，同时评述了当前常用焊接接头蠕变性能测试方法的优缺点及适用性。最后，对钼合金焊接接头高温蠕变性能的研究方向和挑战进行了总结和展望。

近年来，随着高强高韧钢的快速发展，对其材料本身与焊缝金属的强韧性也提出了更高的要求，开发匹配高强高韧钢材对应的焊材、焊接工艺以及焊后热处理制度仍然是亟待解决的重大问题。为解决高强钢焊缝金属强韧性协同的问题，本文基于国内外在焊材成分优化、焊接工艺优化以及焊后热处理等方面的研究成果，结合本课题组的研究工作，系统总结了高强钢焊缝金属在成分设计、相变动力学和相变行为、强韧化机理等方面的研究现状，综述了目前高强钢焊缝金属强韧性不足的关键问题和解决方法，并概述了未来需关注的研究方向和重点。

水下焊接技术是舰船、海工、核电等高端装备水下结构物损伤应急或永久修复的重要手段。本文从设备开发、工艺研究及工程应用三个方面介绍水下焊接技术的进展与挑战。在设备开发方面，高性能焊接电源、微型排水罩、智能送丝装置及智能焊接机器人等装备的创新有效提升了焊接质量与效率。在工艺研究方面，聚焦焊接过程动态监测，研究组织演变与力学性能并阐明热输入等参数与显微组织的关联，同时结合质量优化方法可进一步提升焊接可靠性与效率。工程应用实践表明，水下焊接在核电维修、舰船抢修及海上风电修复中展现出重要价值。未来研究需推动水下焊接技术向高可靠、高效率及自主化方向突破，为大型水下结构物修复提供关键技术支撑。

金属增材制造技术凭借快速制备复杂轻量化结构的优势，在工业领域备受青睐。然而，熔融类金属增材制造技术易产生成分偏析、内部孔洞及热裂纹等缺陷，促使研究者开发新型替代技术。近年来，基于搅拌摩擦原理的固相摩擦增材制造技术应运而生。该技术结合了搅拌摩擦技术与增材制造理念，在加工过程中完全避免了材料熔化，兼具高沉积速率、无需保护气体等优势，在金属结构件制造领域展现出广阔的应用前景。本文系统梳理了固相摩擦增材制造技术的国内外研究进展，概述了其技术分类、工艺-组织-性能、技术优势、装备研发、样件制备及固相修复应用。最后，总结了当前面临的技术挑战，为推动该技术的产业化应用提供参考。

异种金属钎焊技术是实现材料高性能连接的关键手段，在能源、电子及航空航天等领域需求迫切。尽管钎焊优势突出，但异种金属钎焊仍面临诸多难题。异种金属间显著的物理和化学性质差异导致钎料润湿性差、残余应力大及脆性金属间化合物过度生长，严重制约了接头的性能和可靠性。本文系统综述了异种金属钎焊领域的最新研究进展，重点探讨了提升接头性能的多种策略，如优化钎料成分、改善润湿行为、调控界面反应及缓解残余应力，以期为有效提高钎焊接头质量提供理论基础；分析了相关方法的机理和效果，并对绿色钎料开发、多场耦合工艺以及可靠性评价等未来发展方向作出展望。

镁/铝薄板搭接型式的搅拌摩擦焊接对于实现交通运载器具的结构轻量化有重要意义。本工作开展了镁合金与铝合金板超声振动强化搅拌摩擦搭接焊实验，并确定最优工艺参数为转速800 r/min、焊速90 mm/min，在焊接过程中对搭接接头匙孔区域采取急停+冷冻处理。对焊接后匙孔周围不同角度的垂直截面和匙孔水平截面的材料流动行为，以及镁合金侧匙孔周围水平截面的特征区域和过匙孔中心焊缝中心线上的各特征区域显微组织进行表征，并阐明了超声振动对搭接接头力学性能的影响。结果表明，搅拌摩擦搭接焊过程中通过引入超声振动，提高了镁/铝搭接接头的拉伸剪切强度以及有效板厚。此外，超声振动使得搅拌头驱动材料的体积增加，增强了材料的流动混合程度；在接头成形过程中，镁合金侧匙孔周围各区域晶粒尺寸分布更加均匀，且搅拌头后方晶粒的再结晶程度显著提高。

搅拌摩擦焊(FSW)过程中，材料在数秒时间内迅速完成材料流动-沉积过程。为解析材料流经搅拌头附近的完整轨迹，本工作以2219-T87铝合金FSW过程为研究对象，构建了FSW过程热-力-流全耦合仿真模型，并运用轨迹追踪算法，着重分析了FSW过程中材料流动-沉积的轨迹。结果表明，焊接过程中材料流动-沉积行为受其所处位置影响：靠近轴肩的材料流经搅拌头附近的轨迹呈多圈绕流模式，材料在流动过程中，绕行半径由大变小，并在搅拌针附近发生显著的向下迁移，沉积位置均位于前进侧；远离轴肩的材料呈现出直通流动模式，材料未完成整圈流动后便沉积在搅拌针后方，前进侧材料焊后沉积在前进侧，后退侧材料焊后沉积在后退侧。

针对Zr-4合金高温扩散连接过程中晶粒粗化和界面第二相析出导致接头性能下降的问题，本工作采用超声冲击在Zr表面制备约70 μm厚的梯度纳米结构(GNS)，以降低扩散连接温度并提升接头强度，并在740~800 ℃范围内开展扩散连接实验(保温时间30 min、压力10 MPa)。结果表明，梯度纳米结构由纳米晶、纳米层片及变形晶粒组成，富含高密度晶界、位错及孪晶。表面纳米晶可促进界面孔洞闭合，并有效抑制第二相的生长和聚集，使其在界面分布更均匀。同时，在连接过程中距接头界面15~100 μm的区域形成异常粗大晶粒，其最大尺寸可达基体晶粒的7.2倍。断裂行为分析表明，异常粗大晶粒并未成为裂纹源，反而通过诱导非均匀塑性变形和形成大量孪晶结构，促发额外的加工硬化效应，强化接头局部区域。GNS-Zr/GNS-Zr接头的剪切强度随着连接温度升高而增大，在800 ℃时最高达376.9 MPa，在相同连接条件下相较Zr/Zr接头提升1.2~1.6倍，且在低温下提升幅度更为显著。

316H钢是第四代先进核反应堆重要的候选结构材料。在服役过程中，材料长期处于高温、辐照以及复杂应力的服役环境，工况极其严苛。尤其是由于核嬗变导致的辐照He泡会造成严重的辐照脆化，加速材料的失效。为阐明He泡在母材和焊缝金属中的演化规律及其对力学性能的影响。本工作基于He泡相场和晶体塑性耦合求解框架，模拟了316H钢及其焊缝金属中He泡的演化行为以及He泡对力学行为的影响。结果表明，He泡通过吸收过饱和空位和He原子形核生长，并在后期通过合并和Ostwald熟化进行长大。焊缝金属中高密度位错偏置吸收间隙原子导致空位浓度过剩以及位错作为快速扩散通道，共同导致了He泡的快速生长。在小应变时，外应变与He泡内压共同主导应力-应变响应，宏观应力为负值；随着外应变增加，应力-应变响应则由外应变主导。拉伸过程中，He泡与基体界面周围出现了显著的应力集中，相应地，应力集中处也发生了较大的塑性变形。在外加应变为4%时，焊缝金属中形成了显著的塑性变形带。

为了研究焊剂中离子导电和电子导电的具体机制，本工作采用四电极法测量了CaF₂-SiO₂-Al₂O₃-MgO(MnO)焊剂的电导率，并结合第一性原理分子动力学模拟，探究了离子导电和电子导电对总电导率的贡献机制。结果表明，在无MnO体系中，Mg²⁺、Ca²⁺和F^-为主要载流子进行离子导电，其扩散行为受网络结构聚合度的限制。引入MnO后，硅铝酸盐网络结构聚合度先升后降，促使离子导电能力呈现先降后升的波动趋势；电子导电能力则持续增强，其原因在于MnO降低了O和F周围的电子局域化程度，提升了Mn原子的电荷转移能力并拓宽了电子跃迁通道。在离子和电子复合导电机制下，MnO对电子导电的促进作用远强于对离子导电的影响。合理调控MnO含量是有效提升焊剂导电性能的重要策略。

34CrNi1Mo齿轮钢在焊接过程中产生的残余应力可能对服役过程产生不利影响，如应力腐蚀开裂和疲劳强度降低。因此，准确预测和有效控制焊接接头残余应力具有重要意义。本工作采用34CrNi1Mo钢和Q355B钢制备了板厚为40 mm的异种钢多层多道对接接头，并采用盲孔法测量了焊后和热处理后的残余应力。基于MSC. Marc软件，在考虑中碳调质钢(34CrNi1Mo钢)固态相变的基础上，建立了“热-冶金-力学”多场耦合有限元模型模拟焊接残余应力，同时建立了考虑蠕变效应的“热-弹/塑性”有限元模型模拟焊后热处理时的应力变化。讨论了焊接过程中固态相变对残余应力分布的影响规律，以及热处理过程中的蠕变行为对焊接残余应力松弛程度的影响。数值模拟结果与实验结果对比表明，固态相变对中碳调质钢热影响区的纵向和横向的残余应力大小及分布均有显著影响；在模拟热处理过程时，仅考虑屈服强度随温度变化关系时，预测得到的残余应力结果与实验值有显著偏差；而考虑蠕变后的计算结果与实测值吻合良好。

为了解决难焊钢材搅拌摩擦焊面临的搅拌工具磨损和断裂问题，优化接头显微组织及力学性能，本工作提出了预制涡流搅拌摩擦焊(PF-VFSW)新工艺，并以3 mm厚Q195钢为模型材料，针对新工艺进行了系统性探索研究，重点讨论了套筒材料、转速、焊速及搅拌工具倾角对接头宏观形貌、微观组织及力学性能的影响。结果表明，对于无倾角的WC-Co套筒，其最优转速、焊速组合为500 r/min、20 mm/min，所获接头底部存在沿晶界分布的弱连接缺陷，且随着与接头顶端距离的增加，氧化物分布变广，未接合区域面积扩大。使用W-Re套筒并设定1°的焊接倾角后，适当调控工艺参数即可消除接头底部弱连接缺陷，对应最优工艺参数组合为转速300 r/min、焊速20 mm/min，搅拌区中剧烈塑性变形导致的动态回复和连续/不连续动态再结晶行为使其再结晶比例较母材有所降低，小角度晶界比例显著升高，同时晶粒得到明显细化，搅拌区晶粒尺寸最小为3.8 μm，较母材降低80.51%。采用WC-Co和W-Re套筒所获接头的显微硬度较母材分别提高了6.44%和18.90%，抗拉强度分别提高了1.74%和5.91%，达到317.26和330.25 MPa，接头连接效率均可达100%。以上结果表明，PF-VFSW技术可实现低碳钢的低成本、高质量焊接。

为解决深坡口焊接中坡口间隙对冷丝摆幅限制的问题，并通过优化窄间隙焊接工艺改善接头组织和性能，提高实用性，本工作提出了可变幅摆动冷丝辅助的旋转/摇动电弧窄间隙熔化极活性气体保护焊接方法，研究了电弧旋转频率、冷丝送进速率以及冷丝与摇动电弧的横向摆动协同率(η)对焊缝成形和焊接效率的影响规律，阐明了窄间隙焊接接头组织和力学性能的演变机制。结果表明，在小摆幅(η ≤ 0.5)冷丝辅助下，旋转/摇动电弧焊缝成形稳定，焊接效率可分别提高25.7%和44.2%；与旋转电弧焊相比，摇动电弧对熔池后方无重复加热作用，缩窄粗晶热影响区，冷丝吸热作用可进一步加快熔池冷却，显著细化焊缝晶粒、韧化粗晶热影响区，在相应的组织类型和晶粒尺寸因素主导下，焊缝强度可增大6.0%、熔合线区冲击功可显著提高53.8%，协同提升了窄间隙焊接效率和性能，从而促进高质高效窄间隙焊接工艺的应用。