AISI304不锈钢激光焊与TIG焊对比研究
发布时间：2020-05-31 00:42
【摘要】：核能是一类运用广泛的新型绿色能源,它具有诸多优点并逐渐成为现代能源的一大支柱。核反应堆间隔柱与堆内构件等重要结构常采用304奥氏体不锈钢材料焊接而成。然而,核电对于焊接效率与接头质量的要求日益提高,传统的熔化焊接方式,例如钨极氩弧焊(TIG)等,已经逐渐无法满足其要求。而激光焊(LBW)作为一类新型焊接方式,具有焊速快、焊缝深、热影响区小等各类优势,却还未广泛用于核电设备焊接。因此,本课题分别采用了激光焊与TIG焊两种焊接方法焊接了304奥氏体不锈钢厚管材,通过金相组织表征、电子背散射衍射分析、显微硬度测试、数值模拟分析与慢应变速率拉伸试验等一系列方法,比较了两种焊接方法得到的焊接接头的显微组织、力学性能、残余应力以及应力腐蚀(SCC)敏感性等各方面性能,以评估激光焊替代TIG焊运用于核电相关设备的可行性。试验结果表明:两种焊接接头的焊缝组织均由奥氏体与δ-铁素体枝晶组成,由于散热方向不同,枝状晶具有不同的生长规律。LBW接头焊缝处的平均晶粒大小高于TIG接头,而微观残余应变小于TIG接头且LBW接头具有更小的横向收缩量。TIG接头的显微硬度沿焊缝至母材逐渐降低,呈现出硬化特征,而LBW接头硬度与母材接近,没有出现硬化特征。数值模拟方法与实测获得的宏观残余应力结果相符。LBW接头与TIG接头的焊接残余应力在内表面具有相似趋势,而在沿厚度方向与外表面上的趋势不同。总体看,LBW接头的高环向残余应力区域比TIG接头的区域明显偏窄,并且,由于总的热输入量更低,LBW接头比TIG接头具有更小的热影响区以及焊接变形。两种焊接接头的断口表面氧化膜成分组成上几乎无差异,LBW接头中抗腐蚀性的Cr~(3+)强度略高于TIG接头。两种接头在模拟水环境中的拉伸强度相比于空气条件下均略有降低,并且试样断口处扫描图像显示出既有韧性断裂又有脆性断裂,表明均发生了应力腐蚀现象。从试验结果看,虽然两种焊接接头都具有较好的抗应力腐蚀性,但相比而言,TIG接头比LBW接头具有更高的SCC敏感性。TIG接头热影响区残余应力较高,且缺少抗应力腐蚀作用的δ-铁素体,因此它具有相对更高的SCC敏感性。根据以上结果认为,总体而言两种焊接接头都成形良好且无缺陷,激光焊接头的机械性能与母材接近,且考虑到焊接残余应力、焊接效率、焊接变形与SCC敏感性结果,激光焊是一种满足核电要求的焊接方法,能够替代TIG焊并且具有诸多优势和研究空间。
【图文】：
图 1-1 压水堆一回路、二回路构造及各结构制造材料示意图[2]Fig.1-1 Schematic of the primary and secondary circuits of a pressurized water reactor and materialsof construction核电设备的重要结构在服役期间都需要在高温高压的环境中工作，有些结构需要承受高频率的疲劳作用，有些结构承受严重的核辐射，有些还需要承受纯水腐蚀作用，并且因为主管道内水流的高速流动，，还可能会引发振动和热应力等，这些因素对于核电设备都是影响其使用的威胁，需要根据不同服役环境选择不同制造材料。为了提高核电站的使用寿命，近些年来核电科学家们对一系列核电设备的制造材料进行了各方面的研究，主要的研究内容针对于各类的奥氏体不锈钢金属材料，因为它是核电中最为关键的材料之一，常用于核电主管道、阀体、压力容器的内部构件等等，如图 1-1 中所示[3]。世界上绝大部分国家的核电主管道设备均采用耐腐蚀强、抗疲劳性强和焊接性能好的超低碳 Cr-Ni-Mo 奥氏体不锈钢[4]。316L 奥氏体不锈钢为常用的核电主管道材料、安全端制造材料，这是因为 316L 不锈钢具备优秀的机械性能，优良的抗腐蚀性能以及抗氧化性等。在堆内构件、间隔柱装配以及驱动机构等一系列关键
2.1 实验材料试验材料由304奥氏体不锈钢管材（直径89mm，壁厚14.5mm，长度约500mm，焊缝位于端部 40mm 处）对接焊接而成，TIG 焊填充金属使用 308L 奥氏体不锈钢焊丝，表 2-1 为试验使用金属材料的化学元素组成。采用线切割对焊缝进行取样，样品尺寸大小根据不同试验的需求，用于组织与性能的研究。表 2-1 材料化学成分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 焊接试验图 2.1 所示为 TIG 焊与激光焊的焊接设备，激光焊使用设备为光源 15Kw 光纤激光器，配备机器人和回转机构，可以实现平板的直线焊接或管子的回转对接。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG457.11;TM623
本文编号：2688983
【图文】：
图 1-1 压水堆一回路、二回路构造及各结构制造材料示意图[2]Fig.1-1 Schematic of the primary and secondary circuits of a pressurized water reactor and materialsof construction核电设备的重要结构在服役期间都需要在高温高压的环境中工作，有些结构需要承受高频率的疲劳作用，有些结构承受严重的核辐射，有些还需要承受纯水腐蚀作用，并且因为主管道内水流的高速流动，，还可能会引发振动和热应力等，这些因素对于核电设备都是影响其使用的威胁，需要根据不同服役环境选择不同制造材料。为了提高核电站的使用寿命，近些年来核电科学家们对一系列核电设备的制造材料进行了各方面的研究，主要的研究内容针对于各类的奥氏体不锈钢金属材料，因为它是核电中最为关键的材料之一，常用于核电主管道、阀体、压力容器的内部构件等等，如图 1-1 中所示[3]。世界上绝大部分国家的核电主管道设备均采用耐腐蚀强、抗疲劳性强和焊接性能好的超低碳 Cr-Ni-Mo 奥氏体不锈钢[4]。316L 奥氏体不锈钢为常用的核电主管道材料、安全端制造材料，这是因为 316L 不锈钢具备优秀的机械性能，优良的抗腐蚀性能以及抗氧化性等。在堆内构件、间隔柱装配以及驱动机构等一系列关键
2.1 实验材料试验材料由304奥氏体不锈钢管材（直径89mm，壁厚14.5mm，长度约500mm，焊缝位于端部 40mm 处）对接焊接而成，TIG 焊填充金属使用 308L 奥氏体不锈钢焊丝，表 2-1 为试验使用金属材料的化学元素组成。采用线切割对焊缝进行取样，样品尺寸大小根据不同试验的需求，用于组织与性能的研究。表 2-1 材料化学成分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 焊接试验图 2.1 所示为 TIG 焊与激光焊的焊接设备，激光焊使用设备为光源 15Kw 光纤激光器，配备机器人和回转机构，可以实现平板的直线焊接或管子的回转对接。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG457.11;TM623
【参考文献】
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本文编号：2688983
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