大型复杂形体真空室窗口领圈电子束焊接模拟及工艺研究

发布时间：2022-12-05 06:56

　　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... 

【文章页数】：114 页

【学位级别】：博士

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摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 聚变堆真空室研究进展
        1.2.2 奥氏体不锈钢焊接接头应用与研究进展
        1.2.3 厚板焊接方法研究现状
        1.2.4 电子束深熔焊接研究现状
        1.2.5 焊接数值模拟研究现状
    1.3 主要研究内容
第2章 试验材料与方法
    2.1 试验材料与设备
    2.2 复杂结构电子束焊接方法
        2.2.1 焊缝成形过程
        2.2.2 电子束焊的准备
        2.2.3 规范参数对焊缝成形的影响
        2.2.4 焊接缺陷及其预防方法
        2.2.5 奥氏体不锈钢的焊接技术
    2.3 试验方法
        2.3.1 窗口领圈数值模拟方法
        2.3.2 焊接工艺试验
        2.3.3 焊接接头显微组织和力学性能分析
    2.4 本章小结
第3章 50mm厚316L电子束焊接温度场和应力场数值模拟
    3.1 热弹塑性理论基础
        3.1.1 应力应变关系
        3.1.2 平衡方程
        3.1.3 求解过程
    3.2 数值模拟方法
        3.2.1 理论基础
        3.2.2 几何模型
        3.2.3 热源模型
        3.2.4 材料特性及边界条件
    3.3 温度场模拟结果及分析
        3.3.1 温度场分布特征
        3.3.2 焊接热循环曲线
    3.4 应力应变场模拟结果及分析
        3.4.1 焊接过程动态应力模拟结果分析
        3.4.2 焊接残余应力模拟结果分析
        3.4.3 焊接残余应力试验对比研究
    3.5 本章小结
第4章 窗口领圈焊接变形数值分析与控制
    4.1 固有应变法
        4.1.1 固有应变理论
        4.1.2 固有应变的确定
        4.1.3 固有应变法的应用
    4.2 上窗口内壳焊接变形预测
        4.2.1 研究模型
        4.2.2 边界条件
        4.2.3 结果与分析
    4.3 上窗口内壳电子束拼焊
    4.4 上窗口领圈内壳虚拟疲劳仿真分析
        4.4.1 焊缝疲劳寿命仿真方法
        4.4.2 疲劳分析结果与讨论
    4.5 本章小结
第5章 真空室窗口领圈电子束焊接工艺优化研究
    5.1 试验研究
        5.1.1 试验方法
        5.1.2 试验研究与测试分析
    5.2 焊接接头凝固模式和铁素体含量预测
    5.3 焊接接头宏观、微观组织分析
        5.3.1 焊接接头宏观以及微观组织分析
        5.3.2 枝晶臂间距(DAS)变化
        5.3.3 晶粒尺寸的变化
    5.4 焊接接头显微硬度分析
    5.5 讨论
    5.6 本章小结
第6章 厚板奥氏体不锈钢电子束焊接接头不均匀性研究
    6.1 试验方法
    6.2 无损检测
    6.3 焊接接头宏观、显微组织分析
    6.4 铁素体数
    6.5 焊接接头力学性能分析
        6.5.1 显微硬度
        6.5.2 拉伸性能
        6.5.3 冲击性能
    6.6 本章小结
第7章 全文总结
    7.1 研究工作总结
    7.2 本文主要创新点
    7.3 未来工作展望
参考文献
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]可控核聚变科学技术前沿问题和进展[J]. 高翔,万元熙,丁宁,彭先觉.  中国工程科学. 2018(03)
[2]TC4钛合金压力容器电子束焊接模拟分析[J]. 张永和,何俊,翟大鹏,张秉刚.  焊接学报. 2017(05)
[3]316不锈钢电子束焊接热处理复合接头组织及力学性能[J]. 王金南,付鹏飞,毛智勇,王西昌.  材料热处理学报. 2016(05)
[4]托卡马克研究的现状及发展[J]. 李建刚.  物理. 2016(02)
[5]大厚度电子束焊接接头厚度方向的组织差异性[J]. 陈倩倩,李东,贺聪聪,于治水.  焊接学报. 2015(09)
[6]304不锈钢与QCr0.8铬青铜填加铜焊丝的电子束焊接（英文）[J]. 张秉刚,赵健,李晓鹏,冯吉才.  Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2014(12)
[7]钛合金（TC4）电子束焊接模拟[J]. 曾庆继,徐连勇,韩永典,荆洪阳,周春亮.  焊接学报. 2014(11)
[8]ITER计划与聚变能发展战略[J]. 张一鸣,曾丽萍,沈欣媛,张利,丁亚清,肖成馨,康卫红,王海.  核聚变与等离子体物理. 2013(04)
[9]2A14高强铝合金电子束焊接工艺优化及接头组织分析[J]. 王亚荣,黄文荣,莫仲海.  焊接学报. 2011(12)
[10]异种材料真空电子束焊接研究现状分析[J]. 冯吉才,王廷,张秉刚,陈国庆.  焊接学报. 2009(10)

博士论文
[1]大型复杂轮廓真空室焊接模拟及残余应力消除方法研究[D]. 修磊.中国科学技术大学 2017
[2]气体保护三丝间接电弧特性及其厚壁窄间隙焊接工艺研究[D]. 方迪生.大连理工大学 2017
[3]厚板奥氏体不锈钢窄间隙焊接的焊缝组织和性能研究[D]. 赵璇.武汉大学 2014

硕士论文
[1]CFETR真空室预研件窗口领圈电子束焊接工装设计与分析[D]. 胡宇锋.安徽理工大学 2019
[2]船用厚板高功率激光焊接工艺适应性研究[D]. 唐卓.上海交通大学 2008



本文编号：3709912