人类的生存与发展都与能源有密切关系。然而随着经济发展,整个人类都面临着日益迫切的能源需求与现有资源日趋减少的矛盾。受控聚变能是目前被认为最为理想的新型能源。正在建设中的中国聚变工程实验堆(Chinese Fusion Engineering Test Reactor,CFETR)是我国自主研发的下一代磁约束聚变试验装置。它的双层壳体结构真空室作为磁约束聚变堆主机最核心部件之一,其主要功能是建立、维持、支撑、提供超高真空环境以及辅助加热、诊断,因此真空室需要具备极高的可靠性。真空室窗口领圈是真空室主体D形结构与窗口延伸段的连接部分,其外形轮廓复杂,难以通过钢板热压成型完成制造。本文在国际热核聚变实验堆计划专项项目“真空室成型焊接及装配关键技术研究”的支持下,采用数值模拟与焊接试验相结合的方法,研究分析了复杂外形轮廓真空室窗口领圈拼焊过程中焊接变形精确控制理论和厚板电子束焊接接头质量控制关键技术问题。首先基于热弹塑性理论的焊接模拟方法,模拟真空室窗口领圈局部50mm厚超低碳奥氏体不锈钢电子束对接焊动态过程,提取出焊接热循环曲线与焊后残余应力分布,揭示了厚板高能密度焊焊缝成形机理。其次,提取局部模型单道焊焊后焊缝以及热影响区的固有应变值,基于固有应变理论,使用商业焊接模拟软件Sysweld-Weldplanner模拟研究了真空室窗口领圈电子束拼焊过程中的焊接顺序、夹持条件对焊后变形和残余应力的影响,得到最优焊接顺序和工装夹持条件,并通过实际窗口领圈焊接试验验证了模拟的可靠性。研究了超低碳奥氏体不锈钢厚板电子束焊焊接工艺。通过连续调节电流或聚焦的试验方法,优化得到了与超低碳奥氏体不锈钢厚板电子束焊焊接工艺相适应的聚焦电流、焊接速度、束流等工艺性能参数;对比研究分析了带有扫描偏转焊接工艺与无扫描偏转焊接工艺的焊接试验,进一步优化焊接参数,改善了焊缝成形,获得了均匀的平行焊缝。研究分析了厚板电子束焊接接头的不均性特征。通过沿焊缝熔深方向,分层分段分析焊接接头的晶粒尺寸、晶粒组成、元素成分和显微硬度、拉伸强度、冲击韧性等力学性能的差异以及变化规律,阐释了厚板电子束焊接接头的不均性特征,揭示了超低碳奥氏体不锈钢厚板电子束焊接接头的凝固速率、凝固模式、显微组织与力学性能之间的物理本质联系及焊缝成形过程机理。最后,提出了电子束拼焊技术成型的工艺优化方案及其工装设计的优化。为真空室窗口领圈的研制提供了理论依据和工艺技术支撑,具有工程应用价值。