ITER校正场线圈盒热丝填充激光焊工艺研究及数值模拟

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国际热核聚变实验反应堆(International Thermonuclear Experimental Reactor简称ITER)计划是人类受控核聚变从实验走向实用关键的一步,是为解决人类未来能源问题而展开的重大国际合作计划。ITER校正场线圈(ITER correctioncoil简称ITER CC)是用于补偿磁体系统的磁场误差,为防止对超导线圈的绝缘性能造成不利影响,要求焊缝背面温度不宜过高,同时焊接残余应力与变形不宜过大,故线圈盒的封焊采用热丝填充激光焊。  在前期工艺试验的基础上,对主要的激光焊接工艺参数进行正交优化试验,分析了各个工艺参数对焊缝成型质量的影响,得到了合适的激光焊接工艺参数。利用正交优化后得到的焊缝成型良好的工艺参数进行有限元模拟。首先对线圈盒钝边层进行有限元分析,利用SYSWELD软件对不锈钢316LN激光自熔焊接的温度场和应力场进行了三维动态模拟,得出了瞬态温度场分布图和特征点的热循环曲线,同时也得出了瞬态应力场的分布图和沿试样纵向与横向的焊接残余应力分布;为验证有限元模拟结果的准确性,采用相同工艺参数焊接并进行测温与残余应力测量实验,实验结果与数值模拟结果基本一致,表明所建立的有限元模型的合理性。其次对20mm厚316LN热丝填充激光多层焊的温度场和应力场进行了三维动态数值模拟,采用双椭球体热源加3D高斯锥形热源的复合体热源模式来计算热丝填充激光焊过程,计算的焊缝横截面形状与试验结果基本吻合,所得到的多层焊沿厚度方向的残余应力分布规律符合实际性,焊接中坡口有收缩趋势,焊后工件有一定的角变形。  装配间隙是影响ITER CC校正场线圈盒的激光封焊质量的重要因素之一。采用热丝填充激光焊,在离焦量分别为+5、+10及+16mm的情况下对5mm厚核聚变用钢316LN在不同对接间隙条件下进行了光斑直径与对接间隙裕度的研究。焊后进行一系列检测,结果表明,在热丝填充激光焊中,光斑直径大小不仅可以与对接间隙量相当,而且还可以在小于对接间隙量0.1~0.2mm的情况下,可以得到表面成形较好及抗拉强度值较高的焊缝,当小于对接间隙量达到0.3mm时,焊缝表面成形变差及抗拉强度值下降。  热丝填充激光焊由于工艺参数多、焊接过程复杂而更易产生各类焊接缺陷。为有效地克服各类缺陷,保证焊接质量,文中分别对气孔、热裂纹、焊瘤子、未熔合等缺陷产生的机理进行了研究,并提出了有效的防止措施,其中重点分析了线圈盒的激光封焊中气孔与热裂纹的问题。  利用前面钝边及多层焊数值模拟计算的结果,采用固有应变法,对SCC线圈盒的局部和整体进行了数值模拟:采用改变焊层的顺序来进行局部模拟,以获得合理的焊层顺序;采用分段焊接来进行整体模拟,把多层焊缝假定为一道焊缝,再把这一道焊缝进行分段焊接,通过改变不同的焊接顺序来进行线圈盒的整体模拟,并对模拟结果进行了分析与评价,尽可能获得焊接残余变形量较小的合理的焊接顺序。
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