钨/钢钎焊残余应力分布的数值模拟及实验验证

摘要

核聚变堆示范装置(DEMO)的偏滤器设计对钨与钢的连接提出了新要求。但因钨与钢的物理性能如弹性模量和热膨胀系数等相差大，在连接和服役过程中将产生高的热应力导致失效。因此，钨与钢的连接已经成为制约DEMO发展的一个重要技术瓶颈。钎焊是实现钨与钢连接的有效方法，要获得高质量的钨/钢钎焊接头，对钎焊接头内残余应力的分布进行分析至关重要。
　　本文采用ANSYS软件对钨/钢钎焊接头的残余应力进行二维和三维数值模拟，分析了添加中间层对钨/钢钎焊接头残余应力分布的影响，采用纳米压痕法检测钨/钢钎焊接头残余应力，并对有限元模拟结果进行实验验证。研究结果表明:
　　(1)接头最大径向残余压应力位于焊缝附近的钨基体内，最大径向残余拉应力位于接头自由边界处的钎料层内;接头内部轴向残余应力较小;接头内部周向残余应力与径向残余应力大小及分布规律相似。
　　(2)软质Cu层的加入及其厚度的增加可大幅度降低钨基体内的径向残余压应力，但Cu层厚度过大会引起极大的界面径向残余拉应力（在W-Ni界面反应层），如钨/0.5Cu/钢钎焊接头此处残余拉应力高达769MPa，导致接头抗拉强度急剧降至88.85MPa。硬质中间层Ta及其厚度的增加对接头残余应力的影响较软质Cu中间层小的多。
　　(3)添加不同中间层的钨/钢钎焊接头抗拉强度分布为:钨/0.2FeNi/钢钎焊接头(310.67 MPa)＞钨/0.03Cu/钢钎焊接头(267.52 MPa)＞钨/0.5Ta/钢钎焊接头(256.45 MPa)＞钨/钢钎焊接头(159.90 MPa)，且各焊接接头断裂失效均首先发生在焊缝附近的钨基体内，其规律与模拟所得各中间层钨/钢钎焊接头残余应力的分布规律相吻合。
　　(4)钨/钢钎焊接头残余应力的二维和三维模拟具有很好的一致性，纳米压痕法测得方形钨/钢钎焊接头表面平均残余应力从边缘到中心逐渐降低，其测量结果的整体分布规律与模拟结果吻合良好。

目录

声明

摘要

1 文献综述

1．1 引言

1．2 钨与钢连接的研究现状

1．2．1 钨与钢钎焊连接的研究现状

1．2．2 钨与钢扩散焊连接的研究现状

1．2．3 其他焊接技术的研究现状

1．3 钨／钢及其他异种材料焊接接头残余应力数值模拟研究现状

1．3．1 中间层材料的影响

1．3．2 接头界面几何状态的影响

1．3．3 接头冷却速度的影响

1．4 本课题研究内容及意义

2 实验方案

2．1 实验原料及处理

2．2 实验过程

2．2．1 钨／钢钎焊有限元仿真

2．2．2 钎料及中间层材料的选择

2．2．3 钎焊工艺参数的选择

2．3．4 接头结构设计

2．3 实验设备

2．4 检测与分析

2．4．1 接头界面结构及成分分析

2．4．2 残余应力的纳米压痕法检测

2．4．3 力学性能测试及接头断口形貌分析

3 钨／钢钎焊接头残余应力分布的二维模拟

3．1 钨／钢钎焊接头的二维有限元模型

3．1．1 单元类型的选择

3．1．2 模拟用材料参数确定

3．1．3 模型的简化与假设

3．1．4 有限元模型边界条件及网格划分

3．2 钨／钢钎焊接头的二维残余应力分布状态

3．3 焊接参数对钨／钢钎焊接头残余应力分布的影响

3．3．1 焊接温度对钨／钢钎焊接头残余应力分布的影响

3．3．2 焊接压力对钨／钢钎焊接头残余应力分布的影响

3．3．3 中间层材质对钨／钢钎焊接头残余应力分布的影响

3．3．4 中间层厚度对钨／钢钎焊接头残余应力分布的影响

3．4 本章小结

4 钨／钢钎焊实验对残余应力模拟的验证

4．1 引言

4．2 不同中间层材质的钨／钢钎焊接头界面结构特点

4．2．1 钨／Cu／钢钎焊接头界面结构

4．2．2 钨／Ta／钢钎焊接头界面结构

4．3 中间层材质对钨／钢钎焊接头残余应力分布影响的实验验证

4．4 中间层厚度对钨／钢钎焊接头残余应力分布影响的实验验证

4．5 本章小结

5 钨／钢钎焊接头残余应力的三维模拟及初步验证

5．1 引言

5．2 钨／钢钎焊接头残余应力的三维模拟

5．2．1 钨／钢钎焊接头的三维有限元模型

5．2．2 钨／钢钎焊接头的三维残余应力分布

5．2．3 三维模拟结果与二维模拟结果对比

5．3 钨／钢钎焊接头残余应力的纳米压痕法测试

5．3．1 纳米压痕法测量残余应力的实验原理

5．3．2 纳米压痕法测量残余应力的实验过程

5．3．3 残余应力的纳米压痕法测量结果与模拟结果对比

5．4 本章小结

6 结论

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果目录

致谢