發(fā)布時(shí)間：2020-11-11 06:06

　　 全超導(dǎo)可控磁約束熱核聚變能發(fā)電技術(shù)是人類未來(lái)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略新能源技術(shù)之一,國(guó)際合作項(xiàng)目-國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃有條不紊的建設(shè),對(duì)于推動(dòng)可控聚變能基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)展和工程技術(shù)進(jìn)步具有重要意義。本文在ITER校正場(chǎng)線圈專項(xiàng)的支持下,針對(duì)校正場(chǎng)線圈盒焊接變形問題,研究316LN奧氏體不銹鋼厚板焊接成形機(jī)理,探索焊后熱處理對(duì)線圈盒子段TIG拼焊接頭顯微組織和力學(xué)性能的影響機(jī)制,開發(fā)線圈入盒后線圈盒激光封焊關(guān)鍵技術(shù)�；�于焊后熱處理對(duì)線圈盒子段TIG拼焊接頭組織和性能的影響規(guī)律,開發(fā)了大型線圈盒整體去應(yīng)力的熱處理技術(shù),揭示了316LN厚板TIG焊接頭的低溫?cái)嗔褭C(jī)制。760℃/1h焊后熱處理后的焊縫顯微組織仍為單一奧氏體相,然而其焊縫的鈍化區(qū)間卻明顯減小,焊后熱處理一定程度上降低了焊縫的抗晶間腐蝕性能。4.2K條件下,焊后熱處理焊縫的抗拉強(qiáng)度和斷裂韌性分別為焊態(tài)焊縫的97.4%和74%,并在裂紋擴(kuò)展附近區(qū)域內(nèi)觀測(cè)到應(yīng)力(應(yīng)變)誘發(fā)馬氏體相變。與焊態(tài)焊縫的韌性斷裂方式不同,760℃/1h熱處理后焊縫斷口存在解理臺(tái)階和二次裂紋,呈現(xiàn)韌脆混合斷裂模式。基于“三明治”在線監(jiān)測(cè)技術(shù),展現(xiàn)了316LN厚板激光深熔焊過(guò)程中缺陷產(chǎn)生機(jī)理,建立了線圈盒激光封焊接頭顯微組織與力學(xué)性能之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)小孔后壁的劇烈波動(dòng)易導(dǎo)致小孔底部坍塌產(chǎn)生氣泡,這些氣泡不斷匯集并長(zhǎng)大進(jìn)而形成小孔型氣孔缺陷。小孔后壁的波動(dòng)同時(shí)也會(huì)造成小孔口大小的周期性變化,在小孔內(nèi)金屬蒸汽壓的作用下小孔后壁及熔池的液態(tài)金屬被迫向上噴出形成飛濺。探究了激光深熔焊焊縫的顯微組織和力學(xué)性能,焊縫組織由單一的奧氏體相組成,晶粒顯著粗化且取向不明顯,焊縫中存在著第二相顆粒的析出。4.2K條件下,接頭的抗拉強(qiáng)度高達(dá)1522MPa,為母材強(qiáng)度98%,接頭熱影響區(qū)和焊縫區(qū)域的沖擊韌性分別為母材沖擊韌性的72%和59%,焊縫平面應(yīng)變斷裂韌性K(J)1c高達(dá)240MPa·m1/2,為母材的92%。拉伸和沖擊斷口由大量的韌窩組成,為典型的韌性斷裂。焊縫裂紋擴(kuò)展后期速度明顯加快,斷口上的韌窩變小變淺,并存在第二相顆粒。母材和焊縫斷裂韌性樣件裂紋擴(kuò)展路徑附近均發(fā)現(xiàn)馬氏體生成,且焊縫馬氏體量顯著低于母材馬氏體量。建立了雙橢球體+3D高斯組合熱源的BCC線圈盒焊接數(shù)值分析模型,實(shí)現(xiàn)了線圈盒焊接變形的有效控制和線圈盒焊接接頭疲勞壽命的預(yù)測(cè)和評(píng)估。鑒于對(duì)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件BCC線圈盒焊接過(guò)程的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的調(diào)控,BCC線圈盒封焊后的焊接變形精確控制在±2mm以內(nèi),成功解決了大尺寸線圈盒厚板焊接變形控制的技術(shù)難點(diǎn)。并基于數(shù)值模擬結(jié)果以及Goodman公式的修正得到焊縫的等效應(yīng)力幅值Seq僅為211MPa,遠(yuǎn)低于CC線圈設(shè)計(jì)的疲勞壽命對(duì)應(yīng)的應(yīng)力幅值410MPa,BCC線圈盒封焊接頭疲勞壽命滿足設(shè)計(jì)要求。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TL622
【部分圖文】：

勢(shì)必將造成大型超導(dǎo)磁體在高磁場(chǎng)、高應(yīng)力極端惡劣條件下運(yùn)行。目前在建的??ＩＴＥＲ超導(dǎo)磁體系統(tǒng)包括１８?jìng)�(gè)縱向場(chǎng)線圈（ＴＦ），１個(gè)中心螺管線圈（ＣＳ），?６個(gè)??極向場(chǎng)線圈（ＰＦ）以及１８?jìng)�(gè)校正場(chǎng)線圈（ＣＣ），其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖１．１所示。其??中ＩＴＥＲ校正場(chǎng)線圈是為了補(bǔ)償磁場(chǎng)誤差而設(shè)計(jì)的，為了保護(hù)校正場(chǎng)線圈服役情??況下抵制復(fù)雜強(qiáng)電磁力的作用，需要在線圈外部采用適用于液氦溫度下（４．２Ｋ）??的高強(qiáng)度、高軔性３１６ＬＮ奧氏體不銹鋼（４．２Ｋ：抗拉強(qiáng)度＞１５００ＭＰａ，斷裂韌性??仏＞２００?ＭＰａ?ｍ１／２）制造的大尺寸線圈盒結(jié)構(gòu)件進(jìn)行支撐和保護(hù)。??Ｃｒｙｏｓｔａｔ??—ｋ?－ｆｒｆｌ??Ｃｅｎｔｒａｌ?Ｓｏｌｅｎｏｉｄ?（６）?＼?Ｄｉｖｅｒｔｏｒ??圖１．?１?ＩＴＥＲ裝置圖??１??

且為二維結(jié)構(gòu)，橫跨３個(gè)縱場(chǎng)線圈，整體尺寸約７．０ｍＸ２．５ｍ。側(cè)部線圈（ＳＣＣ）??布置在徑向占位３６．１９５°，橫跨２個(gè)縱場(chǎng)線圈，外形尺寸約７．０ｍＸ７．２ｍ，ＳＣＣＳ??三維瓦片狀結(jié)構(gòu)，其分布圖如圖１．２?（ａ）所示。為了保護(hù)內(nèi)部的超導(dǎo)線圈，依據(jù)??其結(jié)構(gòu)特征以及裝配順序特點(diǎn)，ＣＣ線圈盒結(jié)構(gòu)尺寸以及橫截面形狀如圖１．２（ｂ）??所示。ＳＣＣ線圈盒設(shè)計(jì)為兩個(gè)Ｌ型半盒，Ｂ／ＴＣＣ線圈盒設(shè)計(jì)為底部Ｕ型盒和盒??蓋組成，壁厚均為２０＿。由圖可以看出，ＣＣ線圈盒的整體尺寸較大，橫截面??尺寸較小，呈多圓弧、復(fù)雜三維形態(tài)的結(jié)構(gòu)形式，這些特殊的幾何外形尺寸給??ＣＣ線圈盒的制造帶來(lái)了極大的困難及風(fēng)險(xiǎn)。鑒于線圈盒極高的尺寸配合精度要??求，勢(shì)必要解決線圈盒子段拼焊過(guò)程中產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力對(duì)后續(xù)機(jī)加工精度的??影響，以及針對(duì)大尺寸線圈盒最終封焊的成形機(jī)理及變形控制等關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)??行深入研宄。??圖１．２校正場(chǎng)線圈：（ａ）線圈空間分布圖，（ｂ）線圈盒結(jié)構(gòu)尺寸圖??校正場(chǎng)線圈盒的制造工藝主要包括子部件間的ＴＩＧ拼焊、焊后熱處理去應(yīng)??力、線圈盒機(jī)加工以及最終線圈入盒后的激光封焊工作。校正場(chǎng)線圈盒所有的焊??接工藝認(rèn)證試驗(yàn)均是在平板以及模型線圈盒上完成

?第１章緒論???處理，顯微組織中的析出物以氮化物和〇相為主，碳化物的析出受到碳含量的影??響被限制。??在奧氏體不銹鋼焊接接頭焊后熱處理方面，國(guó)內(nèi)外也進(jìn)行了相關(guān)研宄。Ｙ．Ｈ．??Ｋｉｍ和Ａ．Ｙ．?Ｊａｎｇ［１５＿１６］等對(duì)不同Ｃｒ／Ｎｉ當(dāng)量比的３１６Ｌ焊縫的初性進(jìn)行了研究。焊??縫中５－鐵素體的含量和凝固模式取決于焊縫中不同Ｃｒ／Ｎｉ當(dāng)量比，從而決定了焊??縫中〇相對(duì)初性的影響。〇相含量隨著時(shí)效溫度的升高而升高，焊縫的沖擊初性??隨著〇相含量的增加而降低。Ｏ．?Ｈ．?Ｉｂｍｈｉｍ［１７］等也發(fā)現(xiàn)焊縫中０相的析出使焊縫??的沖擊性能顯著降低，且雙相鋼中的〇相形成量更大，〇相的形成歸結(jié)于鐵素體??相的存在。Ｅ．?Ｊ．?〇１１？１［１８］等對(duì)３１６ＦＲ不銹鋼不同凝固模式的焊縫進(jìn)行了??８２３？１０７３Ｋ的時(shí)效處理，分析了焊縫中的顯微組織轉(zhuǎn)變以及沉淀相〇和ｘ相析出??的動(dòng)力學(xué)條件。研究結(jié)果表明，ＡＦ和ＦＡ模式下焊縫中的鐵素體含量分別為２％??和５％，５－鐵素體中的主要析出相為〇、ｘ和Ｙ２相，析出位置主要位于鐵素體內(nèi)以??及周圍，這些相的析出消耗了焊縫中的全部鐵素體，如圖１．３所示，隨著時(shí)效溫??度和時(shí)間的延長(zhǎng)，焊縫中的５－鐵素體相消失殆盡。???
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