大型復(fù)雜輪廓真空室焊接模擬及殘余應(yīng)力消除方法研究.pdf

1、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(guò)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

2、而成。在真空室成型過(guò)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(guò)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(guò)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

3、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(wú)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(guò)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(guò)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)

4、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(guò)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(kāi)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

5、了窄間隙焊接的過(guò)程，得到了焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，結(jié)果表明:焊接過(guò)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