CLAM鋼TIG焊接頭組織性能及應(yīng)力演變機(jī)理研究.pdf

1、低活化馬氏體(RAFM)鋼具有低活化、抗輻照、高熱導(dǎo)率等優(yōu)良特性，同時(shí)具有較好的工業(yè)制備基礎(chǔ)，被選為未來聚變堆包層的首選結(jié)構(gòu)材料。依據(jù)目前國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER設(shè)計(jì)方案，實(shí)驗(yàn)包層模塊TBM結(jié)構(gòu)材料選用RAFM鋼，與TBM連接的管路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料選用316L鋼。焊接是TBM本體制造及裝配過程中重要的加工技術(shù)。因此，RAFM鋼本身及其與316L鋼之間的焊接性能研究對(duì)于提高TBM的安全性和可靠性具有重要意義。中國低活化馬氏體鋼CLAM鋼是中

2、國ITER實(shí)驗(yàn)包層的首選結(jié)構(gòu)材料。本論文針對(duì)實(shí)驗(yàn)包層研制和裝配技術(shù)需求，開展CLAM同種鋼和CLAM-316L異種鋼TIG焊接實(shí)驗(yàn)，分析焊接接頭組織、性能及應(yīng)力演變機(jī)理，同時(shí)對(duì)中國ITER TBM中典型焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布特征進(jìn)行計(jì)算模擬，為TBM本體制造及其在ITER中的高質(zhì)量裝配奠定基礎(chǔ)。
　　首先，針對(duì)CLAM鋼TIG焊接接頭的組織和性能開展研究。研究結(jié)果表明，基于Schfiffler-Schneier理論模型研發(fā)的新型CLA

3、M鋼焊絲，抑制了焊縫組織中δ鐵素體的產(chǎn)生，使δ鐵素體含量降至1.3％以下。CLAM同種鋼焊態(tài)接頭屈服強(qiáng)度達(dá)492 MPa，焊縫組織室溫沖擊吸收功為27.7 J。經(jīng)焊后回火熱處理后，接頭屈服強(qiáng)度降至428 MPa，而焊縫組織室溫沖擊吸收功升至53.8 J。這是由于熱處理過程中碳化物在晶界和板條界析出和長(zhǎng)大，導(dǎo)致了基體強(qiáng)度退化，但對(duì)沖擊斷裂裂紋的擴(kuò)展有阻礙作用。實(shí)現(xiàn)了CLAM鋼和316L鋼異種材料的高質(zhì)量焊接，熱處理態(tài)接頭抗拉強(qiáng)度666 M

4、Pa，屈服強(qiáng)度422 MPa，斷裂處位于316L鋼側(cè)。
　　其次，開展了CLAM鋼TIG焊接頭的應(yīng)力演變機(jī)理和殘余應(yīng)力分布研究。采用有限元數(shù)值計(jì)算和小孔法應(yīng)力測(cè)試相結(jié)合的方法，對(duì)接頭應(yīng)力演變規(guī)律進(jìn)行了分析，并獲得了接頭殘余應(yīng)力分布特征。應(yīng)力演變規(guī)律表明，CLAM同種鋼和CLAM-316L異種鋼焊接過程中，焊接熱源經(jīng)過的區(qū)域應(yīng)力經(jīng)歷了先降低后升高的演變過程;CLAM-316L異種鋼焊接過程中，316L鋼側(cè)低應(yīng)力區(qū)域明顯大于CLAM鋼

5、側(cè)。殘余應(yīng)力分布研究表明，CLAM同種鋼焊接應(yīng)力呈對(duì)稱分布，應(yīng)力峰值達(dá)350 MPa; CLAM-316L異種鋼焊接應(yīng)力呈非對(duì)稱分布，CLAM鋼側(cè)應(yīng)力峰值達(dá)450 MPa，316L鋼側(cè)應(yīng)力峰值達(dá)360 MPa。消除應(yīng)力焊后熱處理試驗(yàn)結(jié)果表明，同種鋼焊接應(yīng)力和異種鋼316L鋼側(cè)焊接應(yīng)力的消除作用明顯，應(yīng)力峰值降至90MPa以下。
　　最后，開展了聚變堆包層模塊焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布研究?；谟邢拊治鼋Y(jié)果，研究了拘束條件、焊接順序等因素

6、對(duì)應(yīng)力分布的影響。拘束條件影響分析表明，與四頂角拘束條件相比，框形周向焊接結(jié)構(gòu)在兩側(cè)拘束條件下，應(yīng)力峰值261 MPa，且可以控制焊接變形小于0.4 mm;管板焊接結(jié)構(gòu)在兩側(cè)拘束條件下高應(yīng)力區(qū)域明顯增加，板件和孔邊緣存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。與單端拘束條件相比，冷卻管對(duì)接焊時(shí)，兩端拘束時(shí)高應(yīng)力區(qū)域擴(kuò)大且應(yīng)力峰值由333 MPa升至361MPa，控制焊接變形從2.9 mm降至1.2 mm。采用分段對(duì)稱焊接順序可以減少框型周向焊接、管板焊、冷卻管對(duì)