大型復雜輪廓真空室焊接模擬及殘余應力消除方法研究.pdf

1、真空室是磁約束核聚變反應堆的核心部件，主要起支撐內部部件、為等離子體提供穩(wěn)態(tài)運行環(huán)境的作用，因此對真空室成型尺寸精度、結構穩(wěn)定性和疲勞壽命有很高的要求。真空室是具有復雜輪廓的雙層殼體結構，截面為D形，具有尺寸大、重量大、結構復雜和對材料性能要求高的特點。真空室由8個扇區(qū)拼焊而成，在制造過程中每個1/8扇區(qū)又由4個1/32扇區(qū)拼焊而成，1/32扇區(qū)則是由4個PS(Poloidal Segment)段拼焊而成，每個PS段則是由壓制成型件拼焊

2、而成。在真空室成型過程中使用了很多焊接方法，比如:氬弧焊、電子束焊接、窄間隙焊接等。
　　焊接由于局部熱輸入會產生焊接熱變形，而焊接變形對真空室的成型尺寸精度產生影響，因此要在焊接過程中控制焊接變形。為了實現(xiàn)對真空室焊接變形的控制，使用固有應變法對真空室焊接變形進行預測，主要研究焊接順序和外部約束條件對焊接變形的影響。通過設置不同的焊接順序對PS1段、PS2/ PS4段、PS3段、1/32扇區(qū)和1/16扇區(qū)的焊接變形進行了模擬，在

3、焊接變形模擬中根據(jù)焊接順序激活相應的焊接件。根據(jù)無外部約束時的焊接變形情況，制定了外部約束條件，研究了外部約束條件對焊接變形的影響。結果表明:焊接順序不同其焊接部件變形量及最大焊接變形位置不同，施加外部約束能夠明顯減少焊接變形量。通過對焊接變形的模擬可以制定外部約束條件，確定焊接變形最小的焊接方案，可以為工程實踐提供參考。
　　在焊接過程中采用剛性約束的方法控制焊接變形，會使得真空室焊后產生較大的殘余應力，殘余應力會使焊接結構出現(xiàn)

4、應力腐蝕、導致微觀裂紋擴展，對真空室結構穩(wěn)定性和疲勞壽命產生很大影響。為了減少焊接殘余應力對真空室的影響，需要在焊接過程中及焊接完成后消除焊接殘余應力。焊接殘余應力的消除方法很多，受到真空室結構、重量及材料性能的影響，適合于真空室焊接殘余應力消除的方法受到了限制。比較適合于真空室焊接殘余應力消除的方法包括熱處理法、隨焊超聲沖擊法、噴丸法和振動時效法。為對上述方法開展相應的工藝研究，設計了與真空室焊縫結構相似的焊接試板，使用熱彈塑性法模擬

5、了窄間隙焊接的過程，得到了焊接溫度場和應力場，結果表明:焊接過程中溫度呈周期性變化，焊接溫度場和應力場關于焊縫呈對稱分布。將焊接模擬結果作為初始條件，模擬了隨焊超聲沖擊對焊接殘余應力的影響，結果表明:隨焊超聲沖擊能明顯改善橫向和縱向焊接殘余應力的分布，為沖擊區(qū)域引入殘余壓應力。將焊接模擬結果作為初始條件，使用SPH方法模擬了噴丸處理對焊接殘余應力的影響，結果表明:使用SPH方法能夠完成對噴丸處理的模擬，噴丸處理能夠明顯改善橫向和縱向焊接