核電的發(fā)展和利用能夠解決全球能源緊缺的問題,而核聚變具有的資源無限、不產(chǎn)生核廢料等優(yōu)點使其成為解決能源危機的希望。厚板316 LN不銹鋼作為核聚變堆設備關鍵用材,受到了廣泛關注。316 LN不銹鋼總體焊接性能良好,但仍存在焊接接頭易發(fā)生晶間腐蝕、脆化、熱裂紋、表面氧化和應力腐蝕等問題,控制厚板焊接時的熱輸入是解決該問題的關鍵。為了解決該問題,本課題組自主設計新型非軸對稱旋轉(zhuǎn)鎢極窄間隙GTAW焊接設備,鎢極的非軸對稱尖端與內(nèi)置的電機相連,通過外置的電機控制箱控制其轉(zhuǎn)速。鎢極的轉(zhuǎn)動帶動具有一定挺度的電弧進行旋轉(zhuǎn),電弧在窄間隙坡口中的周期性轉(zhuǎn)動使得窄間隙底部和側(cè)壁交替受熱熔化,解決了窄間隙焊接的側(cè)壁未熔合問題。搭建了視覺采集和電信號采集系統(tǒng),對旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙焊接過程中物理過程和電信號進行采集和分析。隨著電弧轉(zhuǎn)動頻率的提高,熔滴過渡頻率加快。由于電弧的周期性轉(zhuǎn)動,使焊絲不均勻受熱,只有電弧旋轉(zhuǎn)到焊絲端時,焊絲熔化,發(fā)生物質(zhì)傳遞過程。電弧的轉(zhuǎn)動,對熔滴過渡過程施加外加的機械力,使熔滴擺動劇烈,利于擺脫焊絲端部對熔滴的表面張力,加快熔滴過渡行為。非軸對稱尖端的形狀可明顯改變旋轉(zhuǎn)電弧的形態(tài),通過對尖端添加一個平臺,可以有效的約束起弧位置,防止電流的增大造成弧柱截面積過度長大。采用高速攝像系統(tǒng)對熔池中的示蹤粒子行為進行了可視化檢測。示蹤粒子在熔池中不同時刻的位置可以清晰地反映液態(tài)金屬的流動行為;與傳統(tǒng)靜止鎢極焊接相比,在非軸對稱旋轉(zhuǎn)鎢極的影響下,熔池表面的液態(tài)金屬層波動劇烈。熔池流動和形態(tài)變化的主要原因是旋轉(zhuǎn)電弧的機械外力和熔池旋轉(zhuǎn)引起的慣性離心力。熔池內(nèi)形成高速的流動湍流,加速了傳熱傳質(zhì)。電弧的周期性旋轉(zhuǎn)可以明顯改善熔池的流動方式,擴大了平板熔池的邊緣,增大熔池面積,在熔池邊緣的渦流增強了對側(cè)壁的沖刷,促進了窄間隙的側(cè)壁熔合。對316 LN不銹鋼進行窄間隙焊接實驗,對焊接參數(shù)進行優(yōu)化后,打底焊、填充焊和蓋面焊的熱輸入分別為9.9KJ/cm、14.2KJ/cm和11.4KJ/cm,熱輸入量大幅度降低。對焊縫區(qū)、母材區(qū)和熱影響區(qū)進行XRD測試,其相組成不變,分別對三個區(qū)域進行EBSD測試,其相分布發(fā)生一定變化但是相含量基本一致。采用優(yōu)化后的參數(shù)進行焊接,對整個焊接件進行力學性能測試,機械性能優(yōu)良。對焊縫區(qū)、母材區(qū)和熱影響區(qū)采用DL-EPR進行晶間腐蝕性能測試,焊縫區(qū)的耐蝕性遠高于母材和熱影響區(qū),而熱影響區(qū)的耐蝕性略低于母材且相差不大。
【學位單位】：山東大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：TM623;TG457.11
【部分圖文】：

山東大學碩士學位論文??丨圓??圖１－２?（ａ）?Ａ?－?ＧＴＡＷ和（ｂ）?ＭＰ－ＧＴＡＷ焊縫金屬在焊接狀態(tài)下的微觀組織［１８］??Ｆｉｇ．?１－２?ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?（ａ）?Ａ－ＧＴＡＷ?ａｎｄ?（ｂ）?ＭＰ－ＧＴＡＷ?ｗｅｌｄ?ｍｅｔａＵ１８＾??Ｘｉｎ等人通過電化學動電位再活化法，研究了焊接接頭和焊后熱處理??（ＰＷＨＴ）的３１６?ＬＮ不銹鋼的點蝕和晶間腐蝕。所有試件都表現(xiàn)出良好的??耐點蝕性能，ＰＷＨＴ的接頭的枝晶尺寸明顯增大，導致耐晶間腐蝕能力下降??［１９］。王東東等人通過不同電流對３１６ＬＮ不銹鋼進行焊接，測試不同焊接熱??輸入下的焊接接頭的抗晶間腐蝕性能。根據(jù)晶間腐蝕速率得到，隨著焊接熱??輸入量的增加，焊接接頭的晶間腐蝕越嚴重［２（）］。對３１６１＾不銹鋼進行固溶??處理，并對處理完的試樣進行敏化處理，測試不同保溫時間和固溶溫度下的??３１６?ＬＮ不銹鋼的晶間腐蝕性能。當試樣的保溫時間過短，隨著固溶溫度的??升高腐蝕速率而減緩。此時氮元素和組織分布均勻，溫度升高耐蝕性增強［２１］。??根據(jù)目前的研究現(xiàn)狀，３１６?ＬＮ不銹鋼具有良好的焊接性、耐蝕性能良??好和不易發(fā)生相變等優(yōu)勢，但是由于其本身的特性，對于３１６?ＬＮ不銹鋼的??焊接存在諸多問題。ＧＴＡＷ技術(shù)對于３１６ＬＮ不銹鋼的焊接可以得到完整美??觀且力學性能優(yōu)良的焊縫；熱輸入量對于３１６ＬＮ不銹鋼焊接接頭抗腐蝕性、??抗裂紋敏感性、低溫軔性和枝晶尺寸等有顯著的影響。??１．３厚板窄間隙焊接技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀??焊接厚板過程，通常需要對厚板進行采用Ｖ型坡口加工，填充大量金??屬，進行多層多道焊接，但是此過程增加了工件熱輸入，使

山東大學碩士學位論文??根焊絲擰成麻花狀，深入窄間隙坡口中，電弧呈斷續(xù)狀在兩根焊絲中交替燃??燒，有效的促進了側(cè)壁融合，如圖１－３?（ｃ）所示［２８］。由于焊絲的制作困難和??需要特制的導電嘴，工業(yè)普及程度也不高。??ａ?ｍ?ｂ?黎?ｃ??ｉ?Ｉ?ｔ－ｔ??圖１－３?ＧＭＡＷ窄間隙焊接設備（ａ）折曲狀焊絲窄間隙；（ｂ）波浪狀焊絲窄間隙；（ｃ）雙??絲麻花狀焊絲窄間隙［２６＿２８］??Ｆｉｇ．?１－３?（ａ）?ｎａｒｒｏｗ?ｇａｐ?ｏｆ?ｂｅｎｔ?ｗｉｒｅ；（ｂ）?ｎａｒｒｏｗ?ｃｌｅａｒａｎｃｅ?ｏｆ?ｗａｖｙ?ｗｉｒｅ；（ｃ）?ｎａｒｒｏｗ?ｇａｐ?ｏｆ??ｔｗｉｎ－ｗｉｒｅ?ｔｗｉｓｔｅｄ?ｗｉｒｅ［２６－２８］??Ｋａｎｇ等人通過外加周期性變化的磁場控制電弧在窄間隙坡口中左右擺??動，得到成型良好，側(cè)壁熔合良好的焊縫［２９］。１９世紀８０年代，日本率先發(fā)??明了一種旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙ＧＭＡＷ的焊槍，如圖１－４?Ｕ）所示，利用電機帶??動齒輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動導電桿、偏心導電嘴和焊絲旋轉(zhuǎn)，但是齒輪傳動穩(wěn)定??性差，使導電嘴、石墨電刷和導電桿磨損嚴重［３Ｇ］。江蘇科技大學王加友教授??對旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙ＧＭＡＷ焊槍進行改進，他采用空心軸電機直接驅(qū)動導電??桿旋轉(zhuǎn)，而不在使用齒輪驅(qū)動，使從偏心導電嘴中出來的焊絲能夠在窄間隙??坡口中旋轉(zhuǎn)，提高了設備的穩(wěn)定性和使用壽命，但是導電嘴損耗嚴重的問題??沒有得到解決，如圖ｌ－４（ｂ）所示＾３３］。黃海艇等人設計了新型窄間隙ＧＭＡＷ??旋轉(zhuǎn)焊槍，如圖所示空心軸電機帶動導電桿轉(zhuǎn)動，引起從導電桿端部的偏折??導電嘴傳送出的焊絲在窄間隙坡口中擺動，實現(xiàn)電弧的周期性擺動，促進側(cè)??壁熔合，如圖１

?第一章緒論???＿卜，＿?ｔｉ—?％：??ｎ?ｒｒ￣ｉ：ｊＭ?ｎ：－：「ｒ－關—＿、??Ｌ＾ｒ?保心綠屯嘴?Ｉ?１??圖１－４旋轉(zhuǎn)電�。牵停粒籽b置及改進后設備［３〇－３４］??Ｆｉｇ．?１－４?ｒｏｔａｔｉｎｇ?ａｒｃ?ＧＭＡＷ?ｄｅｖｉｃｅ?ａｎｄ?ｉｍｐｒｏｖｅｄ?ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ＾３０－３４］??由于ＮＧ－ＧＭＡＷ技術(shù)焊接過程中煙塵大，飛濺大并且窄間隙坡口中的飛??濺清理困難，容易形成夾渣缺陷，在特種設備焊接的運用中具有較大的局限??性。窄間隙非熔化極氣體保護焊（ＮＧ－ＧＴＡＷ）因其焊接質(zhì)量高、焊接工藝??穩(wěn)定、焊接過程沒有煙塵飛濺等諸多優(yōu)點被廣泛應用于鋁、不銹鋼、鎂、鈦??等難焊金屬的焊接［３５］。然而，在ＮＧ－ＧＴＡＷ工藝中，可能會出現(xiàn)側(cè)壁熔合不??足等缺陷，將大大降低焊接接頭的機械強度等性能。在焊接過程中增加焊接??熱輸入和外加對熔池的機械振蕩可以消除這一缺陷［３６］。高的熱輸入量可以??明顯地促進側(cè)壁熔化，但對焊接接頭的性能有一定的影響，導致金屬晶粒粗??大，力學性能差［３７］。Ｊｉａｎｇ等通過研宄表明減少焊接過程中熱量的積累，改變??散熱方式，加強散熱，通過攪拌和振蕩熔池來減小晶粒尺寸，可以有效地降??低殘余應力［３８］。??為了解決這一問題，余剛等人設計了一種新型窄間隙ＧＴＡＷ焊槍，如圖??１－５所示，整體結(jié)構(gòu)厚度僅為８ｍｍ，采用雙氣罩保護熔池和焊縫，同時對槍體??內(nèi)鎢極進行氣冷，此外槍體內(nèi)部添加了Ｖ型水路對焊槍進行水冷。設計的新??型焊槍可以實現(xiàn)窄間隙的多道多層焊接，有效的防止側(cè)壁不熔合。但是該槍??體氣罩需要深入到坡口內(nèi)部，極大的限制了坡口的寬度。此外，鎢極的角度??每進行焊接一次
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本文編號：2867935