CuCrZr合金与316L不锈钢电子束焊接头微观组织与力学性能

在焊接电压150 kV和焊接速度15 mm/s不变的情况下,以3种厚度分别为1.5,2.5,3.5 mm的CuCrZr合金与316L不锈钢为研究对象,分别采用对应的电子束流为11,13,15 mA进行真空电子束焊试验,并对焊接接头的显微组织与力学性能进行了对比分析。结果表明:3种不同厚度的焊接接头焊缝区的硬度均高于CuCrZr合金母材区的,接近316L不锈钢母材区的,其中3.5 mm厚度的硬度最大,为HV196;在抗拉测试中,板厚1.5 mm的焊接接头抗拉性能最好,断裂位置位于铜侧,抗拉强度达到了546 MPa,断后伸长率为54%。但3种焊接接头焊缝区微观均出现了微裂纹,焊缝区存在大量的弥散组织,组织主要为富铁与富铜固溶析出相。

TU1无氧铜/316L不锈钢电子束焊接接头组织与性能

采用真空电子束焊分别对2mm、3mm、5mm不同厚度的TU1无氧铜板材和316L不锈钢板材进行异种材料焊接,并对焊接接头的显微组织和力学性能进行了研究。实验结果表明:焊缝区和热影响区呈现波浪形状,焊缝区存在不同程度的混合组织,接头母材区及热影响区的晶粒大小随铜钢板材厚度的增加而增加。TU1热影响区的晶粒明相比母材区,明显增大。焊缝区的硬度高于母材区。在电子束电流为10mA,加速电压为150kV,焊接速度为15mm/s的焊接参数下,2mm、3mm、5mm厚的接头抗拉强度分别是263MPa、174MPa、141MPa。2mm厚的拉伸式样断裂发生在TU1热影响区,而3mm和5mm厚拉伸式样断裂发生在焊缝处,即2mm厚的TU1无氧铜板材和316L不锈钢板材焊接接头抗拉性能最好。

基于焊接热模拟的高锰TWIP钢热影响区组织与性能

针对锻态高锰孪生诱导塑性钢利用Gleeble3500型热模拟试验机,通过设置不同峰值温度(850,950,1050,1150,1250℃)对焊接接头热影响区的各个区间进行了焊接热模拟,采用电子背散射衍射系统、扫描电子显微镜和X射线衍射仪等手段分析了锻态母材经过焊接热作用后组织和性能的变化.结果表明,热作用前后孪生诱导塑性钢组织均为等轴晶粒的全奥氏体组织,晶粒尺寸随峰值温度的上升先减小后增加,但都低于母材;热影响区的拉伸性能均优于母材,主要原因是发生了细晶强化;冲击韧性随峰值温度的变化与晶粒尺寸变化趋势一致,说明晶粒尺寸对采用的孪生诱导塑性钢冲击韧性有关,晶粒尺寸越细,冲击韧性越差.冲击断口的韧窝底部发现有AlN颗粒.

热处理对Cu-Ni-Cr-Si合金性能提升的机理研究

为了深入了解Cu-Ni-Cr-Si系列合金的综合性能,对比分析了Cu-Ni-Cr-Si合金热处理前后合金的显微硬度、拉伸性能以及显微组织等的变化规律。研究发现,热处理后的Cu-Ni-Cr-Si合金的拉伸性能明显提升,显微硬度也呈现出相同的变化趋势。Cu-Ni-Cr-Si合金是典型的沉淀时效强化合金,热处理过程中溶质原子扩散,从而形成析出相,细小、弥散的析出相分布在合金的晶界中会阻碍位错运动,从而提高了合金的力学性能。显微组织研究发现,热处理后晶粒的尺寸显著变大,与此同时热驱动力促使析出相生成,一般为Ni/Si相和Cr/Si相,析出相具有较高的硬度,合金的显微硬度在热处理之后也会有显著提升。电子背散射衍射(EBSD)分析发现,热处理之后小角度晶界转变为大角度晶界,局域取向差降低,推断位错密度降低。除此之外,溶质原子Cr、Ni、Si从基体中析出,对基体具有一定的净化作用,导电率由29.665%IACS提高到35.124%IACS。

无氧铜电子束焊接试验与分析

为了研究电流对无氧铜电子束焊接接头金相组织与性能的影响,采用30 mm厚的无氧铜板作为研究对象,选取不同电流进行电子束焊接试验,并对母材和焊接接头的显微组织进行了对比分析。结果表明:随着焊接电流的增大,焊缝宽度增加幅度不大,焊缝厚度增加明显,显微组织为铸态等轴晶粒,140 mA电流条件下焊缝柱状晶细化,接头塑性、韧性明显增强。

TU2无氧铜电子束焊接头力学性能研究

为了研究TU2无氧铜板在电子束焊接后接头的力学性能,以30mm厚的TU2无氧铜板为研究对象,在150kV的恒定电压下进行了3组不同的焊接电流(100mA、120mA、140mA)的电子束焊接试验,并通过实验检验了焊接接头的力学性能。实验结果表明:第1组和第3组的抗拉强度低于180MPa,焊缝断裂不均匀,而第2组的抗拉强度高于180MPa,焊缝断裂整齐。当试样弯曲到180°时,第1组和第3组试验表面都有明显的裂纹,而第2组实验几乎毫无裂纹。第1组冲击功平均值为118J,第2组冲击功平均值为183J,第3组的冲击功平均值为158J。第1组试验和第3组试验在母材区和焊缝区的硬度差别很大,而第2组试验硬度差别很小。因此,当电流为120mA时,焊接接头的力学性能最佳,具有较高的研究价值。

超导腔束管与法兰接头处Nb/Nb55Ti焊接工艺试验

超导腔是粒子加速器的核心部件,目前国内外针对超导腔的焊接研究主要集中于半单元间的纯Nb对接接头.对于超导腔束管与法兰间的焊接研究较少,为了探索该接头处异种材料的焊接工艺,采用Nb板与Nb55Ti板垂直搭成的L形接头来模拟超导腔电子束焊接时束管与法兰的接头,在8,12,20 mA束流下进行试验,焊后对不同束流参数下接头的宏观形貌、微观组织、化学成分和显微硬度进行了对比分析.结果表明,焊接电流为12 mA时焊缝成形较好,焊接电流较大时Nb侧热影响区晶粒长大较为明显;3组试样焊缝熔化边界处出现了晶粒外延生长的现象,随着焊接电流的提高,熔合线附近出现了粗大的柱状晶;在热输入较大时熔池内液态金属混合充分,焊缝宏观偏析得到改善;焊后Nb侧热影响区显微硬度值出现了明显的下降.

退火温度对50 mm厚316L电子束焊接头微观组织与力学性能的影响

中国聚变工程实验堆(China Fusion Engineering Test Reactor,CFETR)真空室窗口领圈的组焊采用电子束焊,由于板厚较大,焊后残余应力较大,且焊缝从顶部到底部存在组织不均匀性,需要采用焊后退火处理进一步优化组织性能.为了探索合适的退火工艺,采用单温区管式炉对50 mm 316L不锈钢电子束焊试样在200~450℃的范围内进行了退火试验,并采用电子背散射衍射(electron backscattered diffraction,EBSD)手段分析了不同退火工艺下接头热影响区及焊缝的晶粒组织.对不同退火工艺下接头的顶部、中部与底部区域进行了拉伸试验和显微硬度测试.结果表明,随热处理温度的提高,焊缝及热影响区的位错密度出现下降,由此引起的第3类内应力得到释放;300℃热处理后接头不同区域的抗拉强度和断后伸长率都较为优异,且拉伸试样的断口中均未发现大量析出相颗粒;接头各区域显微硬度在不同退火温度下的变化趋势与抗拉强度的变化趋势近似一致.

316L奥氏体不锈钢焊接接头4.2 K低温冲击韧性研究

对核聚变装置中常用的316L奥氏体不锈钢开展焊接接头低温韧性研究,分别对焊接接头的热影响区和焊缝区进行了293 K、4.2 K的冲击试验,并对焊接接头进行组织、显微硬度及冲击断口分析。结果表明,在相同温度下,热影响区的冲击吸收功和断口侧膨胀量均大于焊缝区的,说明热影响区冲击韧性较好;在相同冲击位置下,低温的冲击吸收功远小于室温的,4.2 K下焊接接头低温韧性较差。在低温冲击断口侧面发现α＇-马氏体,它是导致焊接接头低温韧性差的重要原因。

复合热源模型在电子束焊接仿真中的应用

以焊接模拟软件SYSWELD为平台,用双椭球+圆锥复合热源模型,对56 mm厚的304不锈钢板进行模拟研究,并通过工艺试验对改进型的复合热源模型加以验证。试验结果表明:采用双椭球+圆锥复合热源模型可以准确地勾勒出56 mm厚的304不锈钢板电子束焊焊缝横截面的熔池轮廓。使用复合热源模型计算的变形场、应力场结果同传统圆锥体热源计算结果存在较大差异,复合热源模型能更准确地预测厚板料不锈钢电子束焊引起的变形与残余应力分布。

核聚变堆领域钨及其合金与异种材料连接技术

钨及其合金因具有熔点高、沸点高、真空蒸气压低、低的热膨胀系数、无毒、导热性能好以及低溅射率等特性成为未来聚变堆面向等离子体材料第一候选材料。为减少核聚变堆运行过程高能束流及辐射热对钨表面损伤,需要将钨与和热沉材料连接成一体,对钨进行主动冷却。钨及其合金与钢、铜及铜合金之间物理性能差异巨大,实现钨及其合金和异种材料的可靠连接是建造核聚变堆的关键技术。本研究从核聚变堆用钨及其合金与异种材料的特性出发,对钨及其合金与异种材料主要连接技术以及未来可能用到的技术进行了归纳总结,包括钎焊、扩散焊、激光沉积成型等技术,并结合实际工程应用需求,提出了对于钨及其合金与异种材料连接的未来展望,为后续研究提供相关参考。

电子束焊仿真技术在ITER 68 kA超导电流引线制造中的应用研究

以焊接模拟软件Sysweld为平台,用双椭球+圆锥复合热源模型对?105 mm×44.5 mm的TU1无氧铜环焊缝的收束流的位置进行模拟研究,并通过焊接生产加以验证。试验结果表明:随着收束流角度的增大,焊接变形逐渐增大,焊后残余应力逐渐减小;当收束流角为72°时,可获得最佳的焊接变形与焊后残余应力匹配;通过生产验证,72°的收束流角可以使零件焊后关键部位的同轴度偏差不超过0.3 mm,满足设计要求。

基于VB语言的奥氏体不锈钢电子束焊接工艺参数预测程序开发

基于Visual Basic语言,结合奥氏体不锈钢焊缝熔深与加速电压、焊接电流和焊接速度之间的函数关系,开发出焊接工艺参数预测程序,并通过20,50mm厚304不锈钢电子束焊接试验验证预测程序。试验结果表明,相对于传统试焊,使用预测程序获得熔透电流可提高试验效率至少70%;根据给定熔深,计算得出的焊接电流值接近焊接试验获得的最小熔透电流值。

CFETR窗口领圈焊接工装设计与焊接过程分析

真空室窗口领圈是用于连接中国聚变工程实验堆真空室内部和外部颈管的连接段,由于其三维结构复杂、体积庞大、质量大,在与真空室窗口焊接成一体时无法整体加工矫形。因为窗口领圈需要与双曲面结构真空室主体贴合对接,所以对其制造精度要求较高。为了保证真空室的建造质量,采用一种微变形的高束焊接方法——真空电子束焊接对窗口领圈进行拼焊。以焊接零部件为基础,设计了一套焊接工装进行装夹固定,按照电子束焊缝的形貌特征,模拟电子束热源(由双椭球体热源和三维高斯体热源复合),运用SYSWELD软件进行焊接过程分析,结果验证了所设计的工装可以满足焊接需求。

聚变堆包层第一壁缩比部件激光选区熔化成形研究

目的研究激光选区熔化(SLM)成形第一壁缩比结构的组织性能。方法以316L粉末为原材料,运用Inspire软件对不同成形姿势下第一壁缩比结构的应力与变形情况进行数值模拟,选择最佳成形姿势进行SLM成形,以控制整体变形,并对成形零件进行显微组织观察与力学性能测试。结果实验结果表明,与立放和侧放2种成形姿势相比,平放时残余应力与变形最小,最大残余应力为29.68 MPa,最大变形量为0.29 mm。成形件微观组织呈现各向异性,x-y方向主要为粗大的胞状晶组织,z-x方向为细长的柱状晶组织。力学测试结果显示,x-y方向的抗拉强度为672.1 MPa,伸长率为48.2%,冲击韧性为100.6 J/cm^(2);z-x方向的抗拉强度为646.9 MPa,伸长率64.4%,冲击韧性为136.3 J/cm^(2)。结论组织的差异性主要是由扫描工艺与熔池内部复杂的温度场引起的,微观结构的各向异性会造成力学性能的差异,x-y方向的强度高于z-x方向的,z-x方向上的塑性韧性更高。

选择性激光熔化(SLM)成形纯钨的微观组织与力学性能研究

目的研究选择性激光熔化(SLM)技术制备的成形钨的微观组织和力学性能。方法采用纯钨粉末作为原材料,利用SLM技术制备了高密度的纯钨试样,系统研究其孔隙与裂纹的形成机理。同时,利用光学显微镜、显微维氏硬度计和压缩实验等分析手段,分别沿水平面(x-y)和垂直平面(z-x)对其微观组织与力学性能进行分析,探究SLM成形纯钨的各向异性。结果成功制备了相对密度为97.79%的高致密纯钨试样,在水平面上,组织主要为呈长条形的柱状晶,在垂直平面上,组织为粗大的胞状晶,断口形貌表现为典型的宏观脆性断裂特征。在水平面上,试样具有更高的抗压强度(1100 MPa)和显微硬度(427±5)HV。结论孔隙的形成主要与Marangoni效应有关,而裂纹的产生主要取决于材料本身的特性和SLM工艺参数。组织的各向异性导致2个平面的力学性能有一定差异。

316L对接焊缝相控阵超声检测工艺模拟与试验验证

为解决中国聚变工程实验堆316L不锈钢焊缝超声波检测时,探头扫查空间受限、检测信噪比低的难题,提出了基于双晶面阵探头的相控阵超声检测方案.通过CIVA仿真,分析了不同聚焦参数下DMA探头的声场特征,确定对接接头的检测工艺.参考NB/T47013.3-2015《承压设备无损检测第3部分:超声检测》附录I,设计并制作了对比试块,验证了检测工艺下的声束覆盖和Φ2 mm侧横孔信噪比.结果表明,DMA探头可以在有限的扫查空间内实现焊缝声束全覆盖,对比试块中不同位置的Φ2 mm侧横孔信噪比大于15 dB.试验结果可为316L类不锈钢对接焊缝相控阵超声检测工艺制定提供参考.

核电321不锈钢旋转电弧窄间隙GTAW工艺

采用旋转电弧窄间隙钨极氩弧焊(NG-GTAW)新工艺对核电321不锈钢进行窄间隙焊接试验,根据工业生产实际对321不锈钢的施焊要求,将热输入严格控制在10 kJ/cm以下,并得到侧壁熔合良好、无明显缺陷的焊接接头。对旋转电弧NG-GTAW工艺过程温度场和应力场分布展开研究,发现在填充焊过程中,近焊缝区域最高温度可达600℃,此时奥氏体不锈钢处在敏化温度区间,在此温度长时间停留可能导致不锈钢耐蚀性能下降。在垂直于焊缝方向,近焊缝区域呈现拉应力,应力值略高于材料的屈服强度,随着与焊缝距离的增加,应力值逐渐降低,在一定位置处,拉应力转变为压应力。沿焊缝方向上,板材中间区域应力值较高,两端应力较低。

基于有限元的C18000铜合金电子束焊缝开裂原因分析及改进措施

以焊接模拟软件Sysweld为平台,用双椭球+圆锥复合热源模型,针对EAST离子回旋限制器的电子束密封焊缝开裂的问题进行对比模拟研究,并通过工艺试验加以验证。试验结果表明:对比模拟分析发现,水路盖板材质与离子回旋限制材质均为C18000时,焊缝会产生很大变形和应力集中,是导致焊缝正压力密封测试开裂的主要原因,通过将盖板材质换为高塑性的TU1无氧铜在与C18000异种材料焊接过程中,可以通过自适应变形,释放焊接应力,降低了焊缝区应力集中,并已通过实际焊接试验验证,保证了焊缝的密封性。

百毫米级304不锈钢超窄间隙激光焊接头的组织及性能

采用超窄间隙激光焊对100 mm厚304奥氏体不锈钢进行了焊接试验,并研究了接头的显微组织和力学性能。结果表明,超窄间隙激光焊可以实现百毫米级及以上厚板的有效连接且焊缝的成形良好。接头的显微组织由奥氏体和少量铁素体组成,晶粒呈胞状和等轴状。接头的拉伸强度为658 MPa。拉伸断裂位于焊缝的胞状晶区,断裂形式为典型的延性断裂,断口形貌为细小均匀的韧窝和撕裂棱。焊缝组织中等轴晶区的显微硬度大于胞状晶区。