【摘要】：真空室是磁約束核聚變反應(yīng)堆的核心部件,主要起支撐內(nèi)部部件、為等離子體提供穩(wěn)態(tài)運(yùn)行環(huán)境的作用,因此對(duì)真空室成型尺寸精度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和疲勞壽命有很高的要求。真空室是具有復(fù)雜輪廓的雙層殼體結(jié)構(gòu),截面為D形,具有尺寸大、重量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和對(duì)材料性能要求高的特點(diǎn)。真空室由8個(gè)扇區(qū)拼焊而成,在制造過程中每個(gè)1/8扇區(qū)又由4個(gè)1/32扇區(qū)拼焊而成,1/32扇區(qū)則是由4個(gè)PS(Poloidal Segment)段拼焊而成,每個(gè)PS段則是由壓制成型件拼焊而成。在真空室成型過程中使用了很多焊接方法,比如:氬弧焊、電子束焊接、窄間隙焊接等。焊接由于局部熱輸入會(huì)產(chǎn)生焊接熱變形,而焊接變形對(duì)真空室的成型尺寸精度產(chǎn)生影響,因此要在焊接過程中控制焊接變形。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)真空室焊接變形的控制,使用固有應(yīng)變法對(duì)真空室焊接變形進(jìn)行預(yù)測(cè),主要研究焊接順序和外部約束條件對(duì)焊接變形的影響。通過設(shè)置不同的焊接順序?qū)S1段、PS2/PS4段、PS3段、1/32扇區(qū)和1/16扇區(qū)的焊接變形進(jìn)行了模擬,在焊接變形模擬中根據(jù)焊接順序激活相應(yīng)的焊接件。根據(jù)無外部約束時(shí)的焊接變形情況,制定了外部約束條件,研究了外部約束條件對(duì)焊接變形的影響。結(jié)果表明:焊接順序不同其焊接部件變形量及最大焊接變形位置不同,施加外部約束能夠明顯減少焊接變形量。通過對(duì)焊接變形的模擬可以制定外部約束條件,確定焊接變形最小的焊接方案,可以為工程實(shí)踐提供參考。在焊接過程中采用剛性約束的方法控制焊接變形,會(huì)使得真空室焊后產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力,殘余應(yīng)力會(huì)使焊接結(jié)構(gòu)出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕、導(dǎo)致微觀裂紋擴(kuò)展,對(duì)真空室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和疲勞壽命產(chǎn)生很大影響。為了減少焊接殘余應(yīng)力對(duì)真空室的影響,需要在焊接過程中及焊接完成后消除焊接殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力的消除方法很多,受到真空室結(jié)構(gòu)、重量及材料性能的影響,適合于真空室焊接殘余應(yīng)力消除的方法受到了限制。比較適合于真空室焊接殘余應(yīng)力消除的方法包括熱處理法、隨焊超聲沖擊法、噴丸法和振動(dòng)時(shí)效法。為對(duì)上述方法開展相應(yīng)的工藝研究,設(shè)計(jì)了與真空室焊縫結(jié)構(gòu)相似的焊接試板,使用熱彈塑性法模擬了窄間隙焊接的過程,得到了焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng),結(jié)果表明:焊接過程中溫度呈周期性變化,焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)關(guān)于焊縫呈對(duì)稱分布。將焊接模擬結(jié)果作為初始條件,模擬了隨焊超聲沖擊對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響,結(jié)果表明:隨焊超聲沖擊能明顯改善橫向和縱向焊接殘余應(yīng)力的分布,為沖擊區(qū)域引入殘余壓應(yīng)力。將焊接模擬結(jié)果作為初始條件,使用SPH方法模擬了噴丸處理對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響,結(jié)果表明:使用SPH方法能夠完成對(duì)噴丸處理的模擬,噴丸處理能夠明顯改善橫向和縱向焊接殘余應(yīng)力的分布;使沖擊區(qū)域表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。通過軟件模擬結(jié)合實(shí)際情況,給出了 PS1段、PS2/PS4段、PS3段、1/32扇區(qū)和1/16扇區(qū)振動(dòng)時(shí)效的參數(shù),包括:支撐點(diǎn)、激勵(lì)點(diǎn)、激振頻率、激振力和激振時(shí)間。在綜合考慮材料性能、結(jié)構(gòu)變形量及去應(yīng)力效果的條件下制定了真空室焊后熱處理工藝,按照制定的熱處理工藝進(jìn)行了試驗(yàn)研究,結(jié)果表明:熱處理能夠有效的減少焊接殘余應(yīng)力的幅值,改善焊接殘余應(yīng)力的分布。
[Abstract]:The vacuum chamber is the core part of a magnetically confined nuclear fusion reactor, which mainly supports the internal components, and provides a steady-state operation environment for the plasma, so that the size precision, the structural stability and the fatigue life of the vacuum chamber are high. the vacuum chamber is a double-layer shell structure with a complex profile, and the cross section is D-shaped, and has the characteristics of large size, large weight, complex structure and high requirements on the material performance. The vacuum chamber is combined by 8 sectors, and each 1/ 8 sector is welded by four 1/ 32 sectors in the manufacturing process, and the 1/ 32 sector is welded by four PS segments, and each PS segment is formed by splicing and welding the press-molded parts. many welding methods are used in the vacuum chamber forming process, such as argon arc welding, electron beam welding, narrow gap welding, and the like. The welding is thermally deformed by the local thermal input, and the welding deformation affects the accuracy of the forming dimension of the vacuum chamber, so that the welding deformation is controlled during the welding process. In order to control the welding deformation of the vacuum chamber, the welding deformation of the vacuum chamber is predicted by using the inherent variable method, and the influence of the welding sequence and the external constraint on the welding deformation is mainly studied. The welding deformation of PS1, PS2/ PS4, PS3, 1/ 32 and 1/ 16 sectors is simulated by setting different welding sequences, and the corresponding weldments are activated in the welding deformation simulation according to the welding sequence. According to the welding deformation in the absence of external constraint, the external constraint conditions are set, and the influence of the external constraint on the welding deformation is studied. The results show that the welding sequence is different from the welding component deformation and the maximum welding deformation position, and the application of the external constraint can significantly reduce the welding deformation. Through the simulation of the welding deformation, the external constraint conditions can be established, and the welding scheme with the minimum welding deformation can be determined, and the reference can be provided for engineering practice. In the process of welding, the method of rigid constraint is used to control the welding deformation, so that a large residual stress can be generated after the vacuum chamber is welded, the residual stress can cause stress corrosion to the welding structure, and the micro-crack expansion is caused, and the stability and the fatigue life of the vacuum chamber are greatly affected. In order to reduce the influence of welding residual stress on the vacuum chamber, it is necessary to eliminate the welding residual stress in the welding process and after the welding. The method of eliminating residual stress in vacuum chamber is limited by the influence of the structure, weight and material property of the vacuum chamber. The method of comparing residual stress suitable for vacuum chamber welding includes heat treatment, ultrasonic impact welding, shot blasting and vibration. In order to carry out the corresponding process research to the above-mentioned method, a welding test plate similar to the weld structure of the vacuum chamber was designed, the process of narrow gap welding was simulated by using the thermoelastic-plastic method, and the welding temperature field and the stress field were obtained. The results show that the temperature in the welding process is periodically changed, The welding temperature field and the stress field are distributed symmetrically with respect to the weld. The welding simulation results are used as initial conditions, and the influence of ultrasonic impact on welding residual stress is simulated. The results show that the residual stress distribution of the transverse and longitudinal welding can be obviously improved with the ultrasonic impact, and the residual compressive stress is introduced for the impact area. The effect of shot peening on the residual stress is simulated by using the SPH method as the initial condition, and the results show that the SPH method can be used to simulate the shot peening, and the distribution of residual stress in the transverse and longitudinal direction can be obviously improved by using the SPH method. and a residual compressive stress is generated on the surface layer of the impact area. The parameters of the vibration aging of PS1, PS2/ PS4, PS3, 1/ 32 and 1/ 16 sectors are given by software simulation, including the supporting point, the excitation point, the excitation frequency, the shock force and the shock time. The heat treatment process after vacuum chamber welding is developed under the condition of comprehensive consideration of material property, structural deformation and destress effect, and the experimental research is carried out according to the heat treatment process. The results show that the heat treatment can effectively reduce the amplitude of welding residual stress. and the distribution of the welding residual stress is improved.
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TL628

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本文編號(hào)：2349315