CLAM钢TIG焊接头组织性能及应力演变机理研究

摘要

低活化马氏体(RAFM)钢具有低活化、抗辐照、高热导率等优良特性，同时具有较好的工业制备基础，被选为未来聚变堆包层的首选结构材料。依据目前国际热核聚变实验堆ITER设计方案，实验包层模块TBM结构材料选用RAFM钢，与TBM连接的管路系统结构材料选用316L钢。焊接是TBM本体制造及装配过程中重要的加工技术。因此，RAFM钢本身及其与316L钢之间的焊接性能研究对于提高TBM的安全性和可靠性具有重要意义。中国低活化马氏体钢CLAM钢是中国ITER实验包层的首选结构材料。本论文针对实验包层研制和装配技术需求，开展CLAM同种钢和CLAM-316L异种钢TIG焊接实验，分析焊接接头组织、性能及应力演变机理，同时对中国ITER TBM中典型焊接结构的应力分布特征进行计算模拟，为TBM本体制造及其在ITER中的高质量装配奠定基础。
　　首先，针对CLAM钢TIG焊接接头的组织和性能开展研究。研究结果表明，基于Schfiffler-Schneier理论模型研发的新型CLAM钢焊丝，抑制了焊缝组织中δ铁素体的产生，使δ铁素体含量降至1.3％以下。CLAM同种钢焊态接头屈服强度达492 MPa，焊缝组织室温冲击吸收功为27.7 J。经焊后回火热处理后，接头屈服强度降至428 MPa，而焊缝组织室温冲击吸收功升至53.8 J。这是由于热处理过程中碳化物在晶界和板条界析出和长大，导致了基体强度退化，但对冲击断裂裂纹的扩展有阻碍作用。实现了CLAM钢和316L钢异种材料的高质量焊接，热处理态接头抗拉强度666 MPa，屈服强度422 MPa，断裂处位于316L钢侧。
　　其次，开展了CLAM钢TIG焊接头的应力演变机理和残余应力分布研究。采用有限元数值计算和小孔法应力测试相结合的方法，对接头应力演变规律进行了分析，并获得了接头残余应力分布特征。应力演变规律表明，CLAM同种钢和CLAM-316L异种钢焊接过程中，焊接热源经过的区域应力经历了先降低后升高的演变过程;CLAM-316L异种钢焊接过程中，316L钢侧低应力区域明显大于CLAM钢侧。残余应力分布研究表明，CLAM同种钢焊接应力呈对称分布，应力峰值达350 MPa; CLAM-316L异种钢焊接应力呈非对称分布，CLAM钢侧应力峰值达450 MPa，316L钢侧应力峰值达360 MPa。消除应力焊后热处理试验结果表明，同种钢焊接应力和异种钢316L钢侧焊接应力的消除作用明显，应力峰值降至90MPa以下。
　　最后，开展了聚变堆包层模块焊接结构的应力分布研究。基于有限元分析结果，研究了拘束条件、焊接顺序等因素对应力分布的影响。拘束条件影响分析表明，与四顶角拘束条件相比，框形周向焊接结构在两侧拘束条件下，应力峰值261 MPa，且可以控制焊接变形小于0.4 mm;管板焊接结构在两侧拘束条件下高应力区域明显增加，板件和孔边缘存在应力集中现象。与单端拘束条件相比，冷却管对接焊时，两端拘束时高应力区域扩大且应力峰值由333 MPa升至361MPa，控制焊接变形从2.9 mm降至1.2 mm。采用分段对称焊接顺序可以减少框型周向焊接、管板焊、冷却管对接等焊接结构高应力分布区域。
　　综上所述，本文研究了CLAM同种钢和CLAM-316L异种钢接头的组织、性能和应力演变机理，同时对聚变堆包层模块焊接结构的应力分布进行了预测分析。本文研究结果将对聚变堆包层模块的研制及其在未来聚变堆中的可靠服役提供技术支持。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 聚变堆和聚变堆包层

1．2 聚变堆实验包层结构材料研究现状

1．3 RAFM钢焊接应力研究现状

1．3．1 国外RAFM钢焊接应力研究现状

1．3．2 国内CLAM钢焊接应力研究现状

1．4 异种钢焊接应力研究现状

1．4．1 马氏体／铁素体钢与奥氏体钢焊接应力

1．4．2 RAFM钢异种材料焊接

1．5 研究内容及意义

第二章 实验材料与方法

2．1 实验材料

2．2 焊接试验方法

2．3 热处理试验方法

2．4 微观组织观察及力学性能试验方法

2．4．1 微观组织观察实验

2．4．2 基本力学性能测试试验

2．5 焊接应力及其研究方法

2．5．1 分布特征

2．5．2 影响因素

2．5．3 拘束度及其对焊接应力分布的影响

2．5．4 研究方法

2．6 本章小结

第三章 CLAM钢TIG焊接头组织和性能

3．1 CLAM同种钢焊接

3．1．1 新型焊丝的研发及适用性研究

3．1．2 接头微观组织与力学性能分析

3．1．3 焊后热处理对微观组织和力学性能的影响

3．2 CLAM-316L异种钢焊接

3．2．1 微观组织与力学性能分析

3．2．2 焊后热处理对微观组织和力学性能的影响

3．3 本章小结

第四章 CLAM钢TIG焊接头应力演变机理

4．1 多层多道焊接接头应力场的演变

4．1．1 CLAM同种钢接头温度场演变过程

4．1．2 CLAM同种钢接头应力场演变过程

4．1．3 CLAM-316L异种钢接头温度场演变过程

4．1．4 CLAM-316L异种钢接头应力场演变过程

4．2 多层多道焊接接头残余应力场

4．2．1 CLAM同种钢接头纵向残余应力分布

4．2．2 CLAM同种钢接头横向残余应力分布

4．2．3 CLAM-316L异种钢接头纵向残余应力分布

4．2．4 CLAM-316L异种钢接头横向残余应力分布

4．3 焊后热处理对应力分布影响分析

4．3．1 CLAM同种钢焊接应力

4．3．2 CLAM-316L异种钢焊接应力

4．4 本章小结

第五章 聚变堆包层模块典型结构焊接应力分析

5．1 坡口设计对T型焊接结构应力分布影响分析

5．2 拘束条件对应力分布影响分析

5．2．1 框型周向焊接结构

5．2．2 管板焊接结构

5．2．3 冷却管对接焊

5．3 焊接顺序对应力分布影响分析

5．3．1 框型周向焊接结构

5．3．2 管板焊接结构

5．3．3 冷却管对接焊

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文的主要结论

6．2 论文创新点

6．3 对未来工作的展望

参考文献

发表学术论文目录

参与项目情况

获奖情况

致谢