【摘要】：核能是一類運(yùn)用廣泛的新型綠色能源,它具有諸多優(yōu)點(diǎn)并逐漸成為現(xiàn)代能源的一大支柱。核反應(yīng)堆間隔柱與堆內(nèi)構(gòu)件等重要結(jié)構(gòu)常采用304奧氏體不銹鋼材料焊接而成。然而,核電對(duì)于焊接效率與接頭質(zhì)量的要求日益提高,傳統(tǒng)的熔化焊接方式,例如鎢極氬弧焊(TIG)等,已經(jīng)逐漸無法滿足其要求。而激光焊(LBW)作為一類新型焊接方式,具有焊速快、焊縫深、熱影響區(qū)小等各類優(yōu)勢(shì),卻還未廣泛用于核電設(shè)備焊接。因此,本課題分別采用了激光焊與TIG焊兩種焊接方法焊接了304奧氏體不銹鋼厚管材,通過金相組織表征、電子背散射衍射分析、顯微硬度測(cè)試、數(shù)值模擬分析與慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)等一系列方法,比較了兩種焊接方法得到的焊接接頭的顯微組織、力學(xué)性能、殘余應(yīng)力以及應(yīng)力腐蝕(SCC)敏感性等各方面性能,以評(píng)估激光焊替代TIG焊運(yùn)用于核電相關(guān)設(shè)備的可行性。試驗(yàn)結(jié)果表明:兩種焊接接頭的焊縫組織均由奧氏體與δ-鐵素體枝晶組成,由于散熱方向不同,枝狀晶具有不同的生長(zhǎng)規(guī)律。LBW接頭焊縫處的平均晶粒大小高于TIG接頭,而微觀殘余應(yīng)變小于TIG接頭且LBW接頭具有更小的橫向收縮量。TIG接頭的顯微硬度沿焊縫至母材逐漸降低,呈現(xiàn)出硬化特征,而LBW接頭硬度與母材接近,沒有出現(xiàn)硬化特征。數(shù)值模擬方法與實(shí)測(cè)獲得的宏觀殘余應(yīng)力結(jié)果相符。LBW接頭與TIG接頭的焊接殘余應(yīng)力在內(nèi)表面具有相似趨勢(shì),而在沿厚度方向與外表面上的趨勢(shì)不同。總體看,LBW接頭的高環(huán)向殘余應(yīng)力區(qū)域比TIG接頭的區(qū)域明顯偏窄,并且,由于總的熱輸入量更低,LBW接頭比TIG接頭具有更小的熱影響區(qū)以及焊接變形。兩種焊接接頭的斷口表面氧化膜成分組成上幾乎無差異,LBW接頭中抗腐蝕性的Cr~(3+)強(qiáng)度略高于TIG接頭。兩種接頭在模擬水環(huán)境中的拉伸強(qiáng)度相比于空氣條件下均略有降低,并且試樣斷口處掃描圖像顯示出既有韌性斷裂又有脆性斷裂,表明均發(fā)生了應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象。從試驗(yàn)結(jié)果看,雖然兩種焊接接頭都具有較好的抗應(yīng)力腐蝕性,但相比而言,TIG接頭比LBW接頭具有更高的SCC敏感性。TIG接頭熱影響區(qū)殘余應(yīng)力較高,且缺少抗應(yīng)力腐蝕作用的δ-鐵素體,因此它具有相對(duì)更高的SCC敏感性。根據(jù)以上結(jié)果認(rèn)為,總體而言兩種焊接接頭都成形良好且無缺陷,激光焊接頭的機(jī)械性能與母材接近,且考慮到焊接殘余應(yīng)力、焊接效率、焊接變形與SCC敏感性結(jié)果,激光焊是一種滿足核電要求的焊接方法,能夠替代TIG焊并且具有諸多優(yōu)勢(shì)和研究空間。
【圖文】：

圖 1-1 壓水堆一回路、二回路構(gòu)造及各結(jié)構(gòu)制造材料示意圖[2]Fig.1-1 Schematic of the primary and secondary circuits of a pressurized water reactor and materialsof construction核電設(shè)備的重要結(jié)構(gòu)在服役期間都需要在高溫高壓的環(huán)境中工作，有些結(jié)構(gòu)需要承受高頻率的疲勞作用，有些結(jié)構(gòu)承受嚴(yán)重的核輻射，有些還需要承受純水腐蝕作用，并且因?yàn)橹鞴艿纼?nèi)水流的高速流動(dòng)，，還可能會(huì)引發(fā)振動(dòng)和熱應(yīng)力等，這些因素對(duì)于核電設(shè)備都是影響其使用的威脅，需要根據(jù)不同服役環(huán)境選擇不同制造材料。為了提高核電站的使用壽命，近些年來核電科學(xué)家們對(duì)一系列核電設(shè)備的制造材料進(jìn)行了各方面的研究，主要的研究?jī)?nèi)容針對(duì)于各類的奧氏體不銹鋼金屬材料，因?yàn)樗呛穗娭凶顬殛P(guān)鍵的材料之一，常用于核電主管道、閥體、壓力容器的內(nèi)部構(gòu)件等等，如圖 1-1 中所示[3]。世界上絕大部分國(guó)家的核電主管道設(shè)備均采用耐腐蝕強(qiáng)、抗疲勞性強(qiáng)和焊接性能好的超低碳 Cr-Ni-Mo 奧氏體不銹鋼[4]。316L 奧氏體不銹鋼為常用的核電主管道材料、安全端制造材料，這是因?yàn)?316L 不銹鋼具備優(yōu)秀的機(jī)械性能，優(yōu)良的抗腐蝕性能以及抗氧化性等。在堆內(nèi)構(gòu)件、間隔柱裝配以及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等一系列關(guān)鍵

2.1 實(shí)驗(yàn)材料試驗(yàn)材料由304奧氏體不銹鋼管材（直徑89mm，壁厚14.5mm，長(zhǎng)度約500mm，焊縫位于端部 40mm 處）對(duì)接焊接而成，TIG 焊填充金屬使用 308L 奧氏體不銹鋼焊絲，表 2-1 為試驗(yàn)使用金屬材料的化學(xué)元素組成。采用線切割對(duì)焊縫進(jìn)行取樣，樣品尺寸大小根據(jù)不同試驗(yàn)的需求，用于組織與性能的研究。表 2-1 材料化學(xué)成分Table2-1 Chemical compositions of base metal and filler (wt. %)材料 C Mn Cr S Ni Si P FeAISI304 0.06 1.89 18.67 0.014 8.53 0.42 0.032 其他ER308L 0.08 1.59 18.15 0.03 10.02 1.0 0.045 其他2.2 焊接試驗(yàn)圖 2.1 所示為 TIG 焊與激光焊的焊接設(shè)備，激光焊使用設(shè)備為光源 15Kw 光纖激光器，配備機(jī)器人和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)平板的直線焊接或管子的回轉(zhuǎn)對(duì)接。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG457.11;TM623

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前6條

1 羅子藝;韓善果;董春林;蔡得濤;;大功率碟片激光焊接焊縫截面形貌研究[J];應(yīng)用激光;2015年05期

2 谷雨;余燕;左波;叢大志;黃逸峰;;AP1000主管道焊接接頭微觀組織和性能試驗(yàn)[J];焊接技術(shù);2014年04期

3 鐘鐵;;奧氏體不銹鋼彎頭開裂原因分析及防護(hù)措施[J];四川冶金;2014年01期

4 張斌;吳義黨;劉鳴宇;張其先;陳洪;;百萬千瓦核電站控制棒導(dǎo)向筒的真空電子束焊接工藝[J];金屬加工(熱加工);2013年04期

5 韓恩厚;王儉秋;吳欣強(qiáng);柯偉;;核電高溫高壓水中不銹鋼和鎳基合金的腐蝕機(jī)制[J];金屬學(xué)報(bào);2010年11期

6 楊武;核電工業(yè)的發(fā)展及其對(duì)腐蝕防護(hù)技術(shù)的需求[J];腐蝕與防護(hù);1997年03期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 王慧;304不銹鋼激光焊接接頭形貌與組織性能研究[D];武漢理工大學(xué);2015年

2 孫耀;超臨界水冷堆材料的均勻腐蝕及應(yīng)力腐蝕的研究[D];上海交通大學(xué);2013年

本文編號(hào)：2688983