【文章內(nèi)容簡介】 光作用下核壓力容器鋼焊接接頭的顯微組織和力學性能摘要:設計間接熱沖壓工藝，利用有限元法對零件的幾何尺寸和力學性能進行了預測。在間接熱沖壓過程的情況下，生產(chǎn)性能與適應車身部件，冷卻路徑造成擴散和擴散控制的相變。通過人臉的相變引起的體積膨脹為面心立方（FCC）為體心立方（BCC）和體心四方（BCT）馬氏體的形成導致相變誘導株的整體應力熱沖壓的車身部件的計算是很重要的。計算的應力和應變狀態(tài)正確，它是必要的模型的擴散和擴散控制的相變現(xiàn)象，考慮到間接熱沖壓過程的邊界條件?，F(xiàn)有的材料模型進行分析和擴展以提高計算鐵氧體、珍珠巖的數(shù)量和分布，其預測的準確性，整個退火過程中貝氏體和馬氏體。工業(yè)用新方法在有限元程序LSDYNA 971實現(xiàn)關鍵詞： 核鋼穩(wěn)壓器 壓水反應堆 反應堆壓力容器 結構完整性 焊接韌性SA508鋼通常用于民用核反應堆的關鍵部件，如反應堆壓力容器。核部件通常采用電弧焊接工藝，但與設計為未來的新建設項目超過60年的生活，新的焊接技術正在尋求。在這種探索性的研究，為第一時間，自體激光焊接6毫米厚的進行SA508 。這個顯微組織和力學性能（包括顯微硬度、抗拉強度、延伸率等夏比沖擊韌性）的特點和結構進行了比較電弧焊接?；谝苿芋w熱的三維瞬態(tài)模型源模型也發(fā)展到模擬激光焊接熱循環(huán)，以估計冷卻速率的過程。初步結果表明，激光焊接工藝可以無宏觀缺陷的焊縫，激光焊接的強度和韌性在這項研究中的聯(lián)合，得到的值，在焊接的母材條件。反應堆壓力容器的壽命和安全運行（RPV），這是核電站中最關鍵的部件之一。取決于高溫壓力容器材料的耐久性，高壓力和放射性環(huán)境。具有較高強度，韌性和抗輻照脆化的材料的需要是上升的，由于增加的發(fā)電容量和核電廠的設計壽命[ 1 ]，[ 2 ]，[ 3 ]，[ 4 ]，[ 5 ]，[ 7 ]，[ 8 ]和[ 6 ]。SA508鋼已經(jīng)用于許多RPV?的壓水反應堆制造因為他們提供的結合強度，延展性好，斷裂韌性，相對于機械性能的均勻性，和他們的經(jīng)濟[ 9 ]、[ 10 ]、[ 11 ]和[ 12 ]。無人機是采用焊接厚環(huán)形鍛件或SA508鋼板在一起。這些通常是采用電弧焊接實現(xiàn)，其次是為焊后熱處理以恢復在熱影響區(qū)（HAZ）韌性。而電弧焊接技術以及建立這些組件，在高功率激光器的可用性增加，能夠以較高的焊接速度，減少焊接變形中厚截面鋼，（GTAW）和埋弧焊（SAW）[ 13 ]、[ 14 ]和[ 15 ]。在版本243。N et al.?的[ 14 ]研究評估應力釋放在HAZ裂紋敏感性， kJ /毫米的熱輸入焊接140毫米厚的SA508 2級鋼?；返?。[ 16 ]報道常規(guī)看到3 kJ /毫米每通過一個熱輸入SA 508級3鋼的焊接。Murty等人。[ 13 ]發(fā)現(xiàn)，多通過SA533B鋼埋弧焊接，焊縫金屬的熱影響區(qū)寬度，分別為26和12毫米，分別。locsdon [ 17 ] kJ /毫米每通過一個熱輸入。可以看出，這些傳統(tǒng)的焊接技術相比，激光焊接一般采用較高的熱輸入，這會增加熱影響區(qū)寬度和焊后導致更大的扭曲和較高的殘余應力。這將是復合的，如果更多的焊接通道和添加更多的填充材料是必需的，由于就業(yè)的更廣泛的焊接槽，這些因素也可能有助于增加生產(chǎn)成本。與傳統(tǒng)的焊接技術相比，激光焊接具有其自身的優(yōu)勢，高功率密度等，以及相關的能力，具有窄的熱影響區(qū)做一個窄的焊縫，采用較低的熱輸入和焊接速度高，達到較低水平的殘余應力和變形，同時消耗更少的填充材料[ 18 ]和[ 19 ]。此外，激光焊接可以實現(xiàn)使用遠程控制，因為激光束可以使用光纖和焊接頭可以安裝在一個工業(yè)機器人。這種特性使得激光焊接適合生產(chǎn)高質(zhì)量的焊縫，所需的核環(huán)境。事實上，激光焊接到中等厚的部分奧氏體不銹鋼的應用已經(jīng)探討過。張等。[ 20 ]首先報道了8毫米厚的316毫米厚的50毫米厚鋼板的窄間隙焊接。elmesalamy等人。[ 21 ]成功焊接了20毫米厚的316不銹鋼使用1千瓦IPG單模光纖激光器的超窄間隙（ mm間隙寬度），雙方采用多道窄間隙焊接的方法。盡管如此，沒有被報道在SA508鋼激光焊接特性。在低合金鋼焊接過程中發(fā)生的固態(tài)相變可能是非常復雜的，在某些鋼中，它可以很難預測焊接接頭的不同子區(qū)域的組織結構。冷卻速率在不同的子區(qū)域?qū)⒋_定相變發(fā)生在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變組合焊接過程中（CCT）在調(diào)查中對鋼圖。在焊接過程中的溫度歷史可以記錄使用熱電偶。然而，熱電偶只能測量離散點的溫度歷史。它也很難保證測量位置的溫度可以正確地記錄下來。有限元建模是一種替代的方法，在焊接過程中的熱循環(huán)調(diào)查。在本研究中，單次自體激光焊接是參加SA508條款3鋼板。自體GTA焊接的開展提供這種鋼的激光焊接的基準。顯微組織和力學性能，如拉伸強度、硬度、和在焊接條件下研究了沖擊韌性的焊接構件。基于移動體積熱源模型模擬也進行了量化的焊接熱循環(huán)對微觀結構的變化在自體激光焊接在SA508鋼的影響。數(shù)值的解決方案是使用商業(yè)軟件ANSYS生成，并與實驗結果進行了比較，驗證了數(shù)值模型。驗證的模型，然后用于預測的激光焊接的熱歷史。本文介紹了實驗和建模，并報告了這項工作所產(chǎn)生的初步結果。2。材料與實驗程序作為收到的基體材料（BM）在這項研究中使用的是調(diào)質(zhì)SA508 。SA508條款3鋼的化學成分如表1。碳當量（CE）是一個參數(shù)，通常用于評價鋼的焊接性，它被定義為合金元素除碳的碳當量濃度的百分比，從鋼的淬透性的觀點。根據(jù)參考文獻[ 22 ]計算調(diào)查的鋼的CE，并給出：從表1看出，SA508 CE 。MS（馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度在420 C）176。根據(jù)鈴木?的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（CCT）508級3圖。條款1鋼[ 23 ]。AC1和Ac3溫度約700176。C和800176。C，分別。光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）對基地SA508鋼的顯微組織圖像都顯示在圖1（a）和（b），分別。標本機械拋光和蝕刻在2%硝酸溶液?；w材料的微觀結構（BM）是一個暴躁的上貝氏體結構。細小的析出物由不同的研究人員已經(jīng)確定，他們是M7C3和M23C6 [ 6 ]、[ 12 ]和[ 24 ]。作為收到SA508 （EDM）焊接試驗。自體激光焊接材料的尺寸大約是6毫米，100毫米和50毫米手動自體GTA焊接約2毫米50毫米100毫米。實驗使用連續(xù)波光纖激光器進行（IPG yls16000）與一個16千瓦的最大功率。光束參數(shù)乘積為10毫米毫弧度的處理纖維300μ米直徑。從光纖的一端發(fā)射的激光束被準直由一個150毫米焦距的鏡頭，然后聚焦到試樣表面用鏡頭用400毫米焦距。，分別。激光頭安裝在一個六軸庫卡機器人。激光焊接的示意圖如圖所示。350 GTA焊接電源是用于手動自體GTA焊接實驗。在焊接前，樣品被噴砂去除氧化物層。噴砂處理后，用丙酮清洗表面，然后將基體材料固定，以保證充分的約束。自體激光焊接和點焊進行。在焊接過程中保護熔池，用氬氣保護試樣的頂部和背面。焊接接頭的宏觀結構和焊縫的微觀結構是利用光學金相顯微鏡檢查（KEYENCE vhx500f）和飛利浦XL 30掃描電子顯微鏡（SEM）。表面硬度測量使用Struers duramin2維氏顯微硬度計進行。在焊縫的顯微硬度分布進行測量，分別位于頂部，在激光焊接接頭的宏觀截面中部和底部，并在焊接在板厚中間位置為手動GTA焊接接頭。使用負載3公斤，停留一段時間10 s的維氏顯微硬度機測試硬度（Struers duramin2）。三測量每個縮進以最小化誤差進行。，并在BM 。對接收的母材和焊接試樣的靜態(tài)拉伸強度評價標本根據(jù)ASTM E8M04產(chǎn)生。子尺寸夏比沖擊試驗樣品的制備在BS EN 100451:1990意圖。缺口位于熔合區(qū)，以測試激光焊接樣品的焊接金屬的韌性。這些沖擊試樣的寬度是由板塊焊接厚度的限制，即6毫米。每一個測試是重復的三個單獨的和名義上相同的優(yōu)惠券，以減少不確定性。夏比和交叉焊縫拉伸試樣從電火花加工過程中使用的焊接穩(wěn)定狀態(tài)的區(qū)域提取。所提取的樣品的基體材料和焊接樣品的大小和形狀如圖3所示。焊接鋼筋的臉和根部焊縫試樣的地區(qū)由手工打磨砂紙在拉伸和夏比沖擊試驗進行刪除。進行拉伸試驗在Instron 4507號模型電子萬能試驗機在室溫下。夏比沖擊試驗的基礎材料和焊接的樣品上進行茲維克Roell夏比沖擊試驗機在?40176。C，?20176。C、0 C和176。室溫。每一張優(yōu)惠券在測試前的半小時內(nèi)舉行相關的測試，以確保整個樣品的溫度均勻一致。以下的拉伸強度和沖擊韌性試驗，所有的斷裂面測試標本用Zeiss EVO 50 SEM設有X射線能譜儀（EDX），研究了斷口形貌和確定斷裂模式。最初的試驗進行了使用珠的板的配置，而不是加入兩個不同的板，以優(yōu)化焊接參數(shù)。的激光功率為4千瓦。激光焦點設置在板的頂部表面的2毫米。使用氬氣保護氣體，氣體流速為12升/分鐘和8升/分鐘，分別保護使用的頂部表面和在焊縫側(cè)的焊縫。激光頭由8個傾斜傾斜，以防止反射。焊接后，焊縫被切割，并準備作為金相樣品，以評估焊接珠的完整性。在圖4中給出了不同焊接參數(shù)的結果。檢查的焊接參數(shù)的不同的焊接參數(shù)顯示，可以接受的焊縫輪廓，。優(yōu)化的焊接參數(shù)在表2中概述。自體激光對接焊接6毫米SA508鋼采用這些優(yōu)化的焊接參數(shù)進行。350 GTA焊接電源是用于焊接2毫米厚的鋼板508。手動自體GTA焊接進行提供最好的比較自體激光焊接。與2毫米的厚度板被用在GTA焊接固有的淺層滲透，雙面焊接進行了。焊接參數(shù)在表3中概述。3。結果。宏觀結構特征SA508鋼焊接接頭的自體激光對接結構，采用優(yōu)化的參數(shù)，如圖5所示?？梢钥闯觯缚p兩側(cè)的熔合線幾乎是平行的，這是小孔焊接的特點。沒有任何證據(jù)的缺陷，如孔隙度或削弱。接頭可以分為幾個不同的區(qū)域，如冶金，熔合區(qū)（FZ）在中心，熱影響區(qū)（HAZ）與基體材料（BM）。熔合區(qū)由粗大的柱狀枝晶顆粒組成，其與垂直于熔合邊界的方向?qū)?。最大熱流方向為垂直于熔合邊界，晶粒趨向于向上生長最快，在熔合區(qū)內(nèi)的柱狀晶組織中有25和26。在光學顯微鏡下，它被觀察到的晶粒尺寸隨距離從焊縫中心線。焊接熱影響區(qū)可進一步劃分為三個不同的區(qū)域：粗晶熱影響區(qū)（CGHAZ）（靠近熔合線），細晶熱影響區(qū)（FGHAZ）和兩相區(qū)（ICHAZ）相鄰的BM。一個宏觀部分通過手工自體GTA焊接2毫米厚的SA508鋼如圖6所示。由于有限的穿透深度在GTA焊接，雙面自手動GTA焊接應用。在熔合區(qū)和熱影響區(qū)寬度大于6毫米厚的激光焊縫寬得多。微觀結構特征焊接接頭各子區(qū)域內(nèi)的顯微組織演變主要由焊接熱循環(huán)過程中的峰值溫度和每個相應的子區(qū)域的冷卻速度[ 27 ]和[ 28 ]確定。作為焊接結構在6毫米厚的激光焊接2毫米厚的手冊進行自體GTA焊接熔合區(qū)和在每一個不同的子區(qū)域內(nèi)的熱影響區(qū)（CGHAZ，F(xiàn)GHAZ ICHAZ）使用SEM結果在圖7和圖8分別給出了。對焊接工藝的焊接熱影響區(qū)內(nèi)的不同子帶的結構是相似的。然而，更細小的析出物在GTA焊接熱影響區(qū)的發(fā)現(xiàn)相比，激光焊接接頭。在基姆等人的工作中。[ 29 ]和[ 30 ]，細小的析出物被確定為高鉬含量的M2C型碳化物。在焊縫，包括貝氏體組織在ICHAZ，marteniste和自回火馬氏體。在FGHAZ組織包括汽車回火馬氏體細晶粒馬氏體。在粗晶區(qū)，顯微組織由馬氏體和回火馬氏體粗粒度的汽車，而在融合區(qū)，粗大的馬氏體和自動觀察回火馬氏體。顯微硬度作為焊接的顯微硬度分布在激光焊接和手動GTA焊接如圖9?？梢钥闯?，無論是激光在焊縫及熱影響區(qū)的硬度（~ 430 ）和多倫多（~ 410 ）焊接試樣高于基體材料的兩倍（~ 200 ）。這是預期的焊接條件下的焊接。在熔合區(qū)的硬度略高于激光焊接試樣的焊接熱影響區(qū)。為GTA在熔合區(qū)和熱影響區(qū)的硬度，焊接接頭在410上下波動，發(fā)生在FGHAZ約430 。在激光熔合區(qū)和熱影響區(qū)的硬度焊接接頭（~ 430 ）高于熔合區(qū)的GTA焊接接頭（~ 410 ）。室溫拉伸行為交叉焊縫的拉伸數(shù)據(jù)如表觀屈服強度參數(shù)，拉伸強度和伸長率均明顯，2毫米厚的鎢極氬弧焊試樣和6毫米厚的激光焊接試樣總結在表4中，其中包括平均值和標準偏差。應該牢記的是，試樣顯然是不均勻的，因此，記錄的屈服強度和伸長率的值是不真正代表任何特定的微觀結構區(qū)，并且它們也將隨選擇的規(guī)范長度（在這種情況下，25毫米）。盡管如此，在這項研究中，測得的值被包括提供一個定性的比較，每個焊縫。明顯的屈服強度（YS）、抗拉強度（UTS）和明顯的伸長量估計為494 MPa、631 %，對于6毫米厚的激光焊接試樣。所有的拉伸破壞發(fā)生在遠離焊接區(qū)域的。YS，為6毫米厚的基底材料的抗拉強度和延伸率分別為498 MPa、632 %，分別。相比較而言，明顯的屈服強度（YS）、抗拉強度（UTS）和2毫米厚的鎢極氬弧焊試樣明顯伸長估計為498 MPa、633 %，分別。所有的拉伸破壞發(fā)生在遠離焊接區(qū)域的。YS，為2毫米厚的基底材料的抗拉強度和延伸率分別為501 MPa、633 %，分別。裂縫性的標本在圖10。所記錄的應力應變曲線的基本材料和焊接試樣的厚度為2毫米和6毫米，如圖11所示。它可以從拉伸試驗結果表明，激光和GTA焊接試樣的拉伸性能有非常相似的基礎材料在相應的厚度。然而，焊接試樣的表觀伸長率略低與那些相應基礎材料相比。在圖9中的硬度分布表明，在焊接條件下，焊接過程中所產(chǎn)生的材料已加強，所以很可能在拉伸試驗過程中，焊接區(qū)域沒有產(chǎn)生屈服，從而有助于降低延伸率。此外，它可以從拉伸試驗結果表明，材料的厚度對屈服強度和斷裂強度幾乎沒有影響，與2毫米厚，6毫米厚的材料呈現(xiàn)類似的屈服強度和斷裂強度。令人好奇的是，材料的厚度，有一個顯著的影響的伸長率，與較薄的材料（2毫米厚）提出較低的伸長率時相比，與6毫米厚的材料。夏比沖擊韌性，以不同的temperatures 《能源吸附的堿金屬和焊縫的激光沖擊下的冰plotted作為一個功能的溫度在圖13?！蹲映叽缭嚇訑嗔押髎hown夏比沖擊試驗是在圖14。它可以看到，所有的paths破碎的激光焊接試樣的試驗開始的，然后deviate熔合區(qū)和HAZ的基體材料。測試結果的基礎材料是repeatable，當測試結果的激光焊接試樣的顯著為低散射的測試temperatures（?40176。C和?20176。C），這可能是attributed的偏差，在斷裂的裂紋。為了highlight的散射的結果對激光焊接specimens，這三個測試的結果是市場在每個溫度圖13和