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大型复杂轮廓真空室焊接模拟及残余应力消除方法研究

【摘要】:真空室是磁约束核聚变反应堆的核心部件,主要起支撑内部部件、为等离子体提供稳态运行环境的作用,因此对真空室成型尺寸精度、结构稳定性和疲劳寿命有很高的要求。真空室是具有复杂轮廓的双层壳体结构,截面为D形,具有尺寸大、重量大、结构复杂和对材料性能要求高的特点。真空室由8个扇区拼焊而成,在制造过程中每个1/8扇区又由4个1/32扇区拼焊而成,1/32扇区则是由4个PS(Poloidal Segment)段拼焊而成,每个PS段则是由压制成型件拼焊而成。在真空室成型过程中使用了很多焊接方法,比如:氩弧焊、电子束焊接、窄间隙焊接等。焊接由于局部热输入会产生焊接热变形,而焊接变形对真空室的成型尺寸精度产生影响,因此要在焊接过程中控制焊接变形。为了实现对真空室焊接变形的控制,使用固有应变法对真空室焊接变形进行预测,主要研究焊接顺序和外部约束条件对焊接变形的影响。通过设置不同的焊接顺序对PS1段、PS2/PS4段、PS3段、1/32扇区和1/16扇区的焊接变形进行了模拟,在焊接变形模拟中根据焊接顺序激活相应的焊接件。根据无外部约束时的焊接变形情况,制定了外部约束条件,研究了外部约束条件对焊接变形的影响。结果表明:焊接顺序不同其焊接部件变形量及最大焊接变形位置不同,施加外部约束能够明显减少焊接变形量。通过对焊接变形的模拟可以制定外部约束条件,确定焊接变形最小的焊接方案,可以为工程实践提供参考。在焊接过程中采用刚性约束的方法控制焊接变形,会使得真空室焊后产生较大的残余应力,残余应力会使焊接结构出现应力腐蚀、导致微观裂纹扩展,对真空室结构稳定性和疲劳寿命产生很大影响。为了减少焊接残余应力对真空室的影响,需要在焊接过程中及焊接完成后消除焊接残余应力。焊接残余应力的消除方法很多,受到真空室结构、重量及材料性能的影响,适合于真空室焊接残余应力消除的方法受到了限制。比较适合于真空室焊接残余应力消除的方法包括热处理法、随焊超声冲击法、喷丸法和振动时效法。为对上述方法开展相应的工艺研究,设计了与真空室焊缝结构相似的焊接试板,使用热弹塑性法模拟了窄间隙焊接的过程,得到了焊接温度场和应力场,结果表明:焊接过程中温度呈周期性变化,焊接温度场和应力场关于焊缝呈对称分布。将焊接模拟结果作为初始条件,模拟了随焊超声冲击对焊接残余应力的影响,结果表明:随焊超声冲击能明显改善横向和纵向焊接残余应力的分布,为冲击区域引入残余压应力。将焊接模拟结果作为初始条件,使用SPH方法模拟了喷丸处理对焊接残余应力的影响,结果表明:使用SPH方法能够完成对喷丸处理的模拟,喷丸处理能够明显改善横向和纵向焊接残余应力的分布;使冲击区域表层产生残余压应力。通过软件模拟结合实际情况,给出了 PS1段、PS2/PS4段、PS3段、1/32扇区和1/16扇区振动时效的参数,包括:支撑点、激励点、激振频率、激振力和激振时间。在综合考虑材料性能、结构变形量及去应力效果的条件下制定了真空室焊后热处理工艺,按照制定的热处理工艺进行了试验研究,结果表明:热处理能够有效的减少焊接残余应力的幅值,改善焊接残余应力的分布。

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