聚变堆用316LN厚板非轴对称旋转钨极窄间隙GTAW技术研究

发布时间：2020-11-03 02:09

　　 核电的发展和利用能够解决全球能源紧缺的问题,而核聚变具有的资源无限、不产生核废料等优点使其成为解决能源危机的希望。厚板316 LN不锈钢作为核聚变堆设备关键用材,受到了广泛关注。316 LN不锈钢总体焊接性能良好,但仍存在焊接接头易发生晶间腐蚀、脆化、热裂纹、表面氧化和应力腐蚀等问题,控制厚板焊接时的热输入是解决该问题的关键。为了解决该问题,本课题组自主设计新型非轴对称旋转钨极窄间隙GTAW焊接设备,钨极的非轴对称尖端与内置的电机相连,通过外置的电机控制箱控制其转速。钨极的转动带动具有一定挺度的电弧进行旋转,电弧在窄间隙坡口中的周期性转动使得窄间隙底部和侧壁交替受热熔化,解决了窄间隙焊接的侧壁未熔合问题。搭建了视觉采集和电信号采集系统,对旋转电弧窄间隙焊接过程中物理过程和电信号进行采集和分析。随着电弧转动频率的提高,熔滴过渡频率加快。由于电弧的周期性转动,使焊丝不均匀受热,只有电弧旋转到焊丝端时,焊丝熔化,发生物质传递过程。电弧的转动,对熔滴过渡过程施加外加的机械力,使熔滴摆动剧烈,利于摆脱焊丝端部对熔滴的表面张力,加快熔滴过渡行为。非轴对称尖端的形状可明显改变旋转电弧的形态,通过对尖端添加一个平台,可以有效的约束起弧位置,防止电流的增大造成弧柱截面积过度长大。采用高速摄像系统对熔池中的示踪粒子行为进行了可视化检测。示踪粒子在熔池中不同时刻的位置可以清晰地反映液态金属的流动行为;与传统静止钨极焊接相比,在非轴对称旋转钨极的影响下,熔池表面的液态金属层波动剧烈。熔池流动和形态变化的主要原因是旋转电弧的机械外力和熔池旋转引起的惯性离心力。熔池内形成高速的流动湍流,加速了传热传质。电弧的周期性旋转可以明显改善熔池的流动方式,扩大了平板熔池的边缘,增大熔池面积,在熔池边缘的涡流增强了对侧壁的冲刷,促进了窄间隙的侧壁熔合。对316 LN不锈钢进行窄间隙焊接实验,对焊接参数进行优化后,打底焊、填充焊和盖面焊的热输入分别为9.9KJ/cm、14.2KJ/cm和11.4KJ/cm,热输入量大幅度降低。对焊缝区、母材区和热影响区进行XRD测试,其相组成不变,分别对三个区域进行EBSD测试,其相分布发生一定变化但是相含量基本一致。采用优化后的参数进行焊接,对整个焊接件进行力学性能测试,机械性能优良。对焊缝区、母材区和热影响区采用DL-EPR进行晶间腐蚀性能测试,焊缝区的耐蚀性远高于母材和热影响区,而热影响区的耐蚀性略低于母材且相差不大。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TM623;TG457.11
【部分图文】：

山东大学硕士学位论文??丨圓??图１－２?（ａ）?Ａ?－?ＧＴＡＷ和（ｂ）?ＭＰ－ＧＴＡＷ焊缝金属在焊接状态下的微观组织［１８］??Ｆｉｇ．?１－２?ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?（ａ）?Ａ－ＧＴＡＷ?ａｎｄ?（ｂ）?ＭＰ－ＧＴＡＷ?ｗｅｌｄ?ｍｅｔａＵ１８＾??Ｘｉｎ等人通过电化学动电位再活化法，研究了焊接接头和焊后热处理??（ＰＷＨＴ）的３１６?ＬＮ不锈钢的点蚀和晶间腐蚀。所有试件都表现出良好的??耐点蚀性能，ＰＷＨＴ的接头的枝晶尺寸明显增大，导致耐晶间腐蚀能力下降??［１９］。王东东等人通过不同电流对３１６ＬＮ不锈钢进行焊接，测试不同焊接热??输入下的焊接接头的抗晶间腐蚀性能。根据晶间腐蚀速率得到，随着焊接热??输入量的增加，焊接接头的晶间腐蚀越严重［２（）］。对３１６１＾不锈钢进行固溶??处理，并对处理完的试样进行敏化处理，测试不同保温时间和固溶温度下的??３１６?ＬＮ不锈钢的晶间腐蚀性能。当试样的保温时间过短，随着固溶温度的??升高腐蚀速率而减缓。此时氮元素和组织分布均匀，温度升高耐蚀性增强［２１］。??根据目前的研究现状，３１６?ＬＮ不锈钢具有良好的焊接性、耐蚀性能良??好和不易发生相变等优势，但是由于其本身的特性，对于３１６?ＬＮ不锈钢的??焊接存在诸多问题。ＧＴＡＷ技术对于３１６ＬＮ不锈钢的焊接可以得到完整美??观且力学性能优良的焊缝；热输入量对于３１６ＬＮ不锈钢焊接接头抗腐蚀性、??抗裂纹敏感性、低温軔性和枝晶尺寸等有显著的影响。??１．３厚板窄间隙焊接技术的国内外研究现状??焊接厚板过程，通常需要对厚板进行采用Ｖ型坡口加工，填充大量金??属，进行多层多道焊接，但是此过程增加了工件热输入，使

山东大学硕士学位论文??根焊丝拧成麻花状，深入窄间隙坡口中，电弧呈断续状在两根焊丝中交替燃??烧，有效的促进了侧壁融合，如图１－３?（ｃ）所示［２８］。由于焊丝的制作困难和??需要特制的导电嘴，工业普及程度也不高。??ａ?ｍ?ｂ?黎?ｃ??ｉ?Ｉ?ｔ－ｔ??图１－３?ＧＭＡＷ窄间隙焊接设备（ａ）折曲状焊丝窄间隙；（ｂ）波浪状焊丝窄间隙；（ｃ）双??丝麻花状焊丝窄间隙［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等人通过外加周期性变化的磁场控制电弧在窄间隙坡口中左右摆??动，得到成型良好，侧壁熔合良好的焊缝［２９］。１９世纪８０年代，日本率先发??明了一种旋转电弧窄间隙ＧＭＡＷ的焊枪，如图１－４?Ｕ）所示，利用电机带??动齿轮旋转，从而带动导电杆、偏心导电嘴和焊丝旋转，但是齿轮传动稳定??性差，使导电嘴、石墨电刷和导电杆磨损严重［３Ｇ］。江苏科技大学王加友教授??对旋转电弧窄间隙ＧＭＡＷ焊枪进行改进，他采用空心轴电机直接驱动导电??杆旋转，而不在使用齿轮驱动，使从偏心导电嘴中出来的焊丝能够在窄间隙??坡口中旋转，提高了设备的稳定性和使用寿命，但是导电嘴损耗严重的问题??没有得到解决，如图ｌ－４（ｂ）所示＾３３］。黄海艇等人设计了新型窄间隙ＧＭＡＷ??旋转焊枪，如图所示空心轴电机带动导电杆转动，引起从导电杆端部的偏折??导电嘴传送出的焊丝在窄间隙坡口中摆动，实现电弧的周期性摆动，促进侧??壁熔合，如图１

?第一章绪论???＿卜，＿?ｔｉ—?％：??ｎ?ｒｒ￣ｉ：ｊＭ?ｎ：－：「ｒ－關—＿、??Ｌ＾ｒ?保心绿屯嘴?Ｉ?１??图１－４旋转电弧ＧＭＡＷ装置及改进后设备［３〇－３４］??Ｆｉｇ．?１－４?ｒｏｔａｔｉｎｇ?ａｒｃ?ＧＭＡＷ?ｄｅｖｉｃｅ?ａｎｄ?ｉｍｐｒｏｖｅｄ?ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ＾３０－３４］??由于ＮＧ－ＧＭＡＷ技术焊接过程中烟尘大，飞濺大并且窄间隙坡口中的飞??溅清理困难，容易形成夹渣缺陷，在特种设备焊接的运用中具有较大的局限??性。窄间隙非熔化极气体保护焊（ＮＧ－ＧＴＡＷ）因其焊接质量高、焊接工艺??稳定、焊接过程没有烟尘飞溅等诸多优点被广泛应用于铝、不锈钢、镁、钛??等难焊金属的焊接［３５］。然而，在ＮＧ－ＧＴＡＷ工艺中，可能会出现侧壁熔合不??足等缺陷，将大大降低焊接接头的机械强度等性能。在焊接过程中增加焊接??热输入和外加对熔池的机械振荡可以消除这一缺陷［３６］。高的热输入量可以??明显地促进侧壁熔化，但对焊接接头的性能有一定的影响，导致金属晶粒粗??大，力学性能差［３７］。Ｊｉａｎｇ等通过研宄表明减少焊接过程中热量的积累，改变??散热方式，加强散热，通过搅拌和振荡熔池来减小晶粒尺寸，可以有效地降??低残余应力［３８］。??为了解决这一问题，余刚等人设计了一种新型窄间隙ＧＴＡＷ焊枪，如图??１－５所示，整体结构厚度仅为８ｍｍ，采用双气罩保护熔池和焊缝，同时对枪体??内钨极进行气冷，此外枪体内部添加了Ｖ型水路对焊枪进行水冷。设计的新??型焊枪可以实现窄间隙的多道多层焊接，有效的防止侧壁不熔合。但是该枪??体气罩需要深入到坡口内部，极大的限制了坡口的宽度。此外，钨极的角度??每进行焊接一次
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本文编号：2867935