【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(xué)性能摘要:設(shè)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(xué)性能進(jìn)行了預(yù)測。在間接熱沖壓過程的情況下，生產(chǎn)性能與適應(yīng)車身部件，冷卻路徑造成擴(kuò)散和擴(kuò)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(dǎo)致相變誘導(dǎo)株的整體應(yīng)力熱沖壓的車身部件的計算是很重要的。計算的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)正確，它是必要的模型的擴(kuò)散和擴(kuò)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(jìn)行分析和擴(kuò)展以提高計算鐵氧體、珍珠巖的數(shù)量和分布，其預(yù)測的準(zhǔn)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(guān)鍵詞： 核鋼穩(wěn)壓器 壓水反應(yīng)堆 反應(yīng)堆壓力容器 結(jié)構(gòu)完整性 焊接韌性SA508鋼通常用于民用核反應(yīng)堆的關(guān)鍵部件，如反應(yīng)堆壓力容器。核部件通常采用電弧焊接工藝，但與設(shè)計為未來的新建設(shè)項目超過60年的生活，新的焊接技術(shù)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(jìn)行SA508 。這個顯微組織和力學(xué)性能（包括顯微硬度、抗拉強(qiáng)度、延伸率等夏比沖擊韌性）的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jié)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(qiáng)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(yīng)堆壓力容器的壽命和安全運(yùn)行（RPV），這是核電站中最關(guān)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(qiáng)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(shè)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(yīng)堆制造因為他們提供的結(jié)合強(qiáng)度，延展性好，斷裂韌性，相對于機(jī)械性能的均勻性，和他們的經(jīng)濟(jì)[ 9 ]、[ 10 ]、[ 11 ]和[ 12 ]。無人機(jī)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(fù)在熱影響區(qū)（HAZ）韌性。而電弧焊接技術(shù)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(yīng)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?；返取 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?？梢钥闯觯@些傳統(tǒng)的焊接技術(shù)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(dǎo)致更大的扭曲和較高的殘余應(yīng)力。這將是復(fù)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(shù)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(guān)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(dá)到較低水平的殘余應(yīng)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(yuǎn)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(jī)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(yīng)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(fù)雜的，在某些鋼中，它可以很難預(yù)測焊接接頭的不同子區(qū)域的組織結(jié)構(gòu)。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(diǎn)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(zhǔn)。顯微組織和力學(xué)性能，如拉伸強(qiáng)度、硬度、和在焊接條件下研究了沖擊韌性的焊接構(gòu)件?；谝苿芋w積熱源模型模擬也進(jìn)行了量化的焊接熱循環(huán)對微觀結(jié)構(gòu)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(jié)果進(jìn)行了比較，驗證了數(shù)值模型。驗證的模型，然后用于預(yù)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(jié)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(xué)成分如表1。碳當(dāng)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(dāng)量濃度的百分比，從鋼的淬透性的觀點(diǎn)。根據(jù)參考文獻(xiàn)[ 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(xué)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(biāo)本機(jī)械拋光和蝕刻在2%硝酸溶液?；w材料的微觀結(jié)構(gòu)（BM）是一個暴躁的上貝氏體結(jié)構(gòu)。細(xì)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(jìn)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(zhǔn)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(jī)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(diǎn)焊進(jìn)行。在焊接過程中保護(hù)熔池，用氬氣保護(hù)試樣的頂部和背面。焊接接頭的宏觀結(jié)構(gòu)和焊縫的微觀結(jié)構(gòu)是利用光學(xué)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(jìn)行。在焊縫的顯微硬度分布進(jìn)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(fù)載3公斤，停留一段時間10 s的維氏顯微硬度機(jī)測試硬度（Struers duramin2）。三測量每個縮進(jìn)以最小化誤差進(jìn)行。，并在BM 。對接收的母材和焊接試樣的靜態(tài)拉伸強(qiáng)度評價標(biāo)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(fù)的三個單獨(dú)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(jìn)行刪除。進(jìn)行拉伸試驗在Instron 4507號模型電子萬能試驗機(jī)在室溫下。夏比沖擊試驗的基礎(chǔ)材料和焊接的樣品上進(jìn)行茲維克Roell夏比沖擊試驗機(jī)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(guān)的測試，以確保整個樣品的溫度均勻一致。以下的拉伸強(qiáng)度和沖擊韌性試驗，所有的斷裂面測試標(biāo)本用Zeiss EVO 50 SEM設(shè)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(jìn)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(diǎn)設(shè)置在板的頂部表面的2毫米。使用氬氣保護(hù)氣體，氣體流速為12升/分鐘和8升/分鐘，分別保護(hù)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(zhǔn)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(jié)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行了。焊接參數(shù)在表3中概述。3。結(jié)果。宏觀結(jié)構(gòu)特征SA508鋼焊接接頭的自體激光對接結(jié)構(gòu)，采用優(yōu)化的參數(shù)，如圖5所示?？梢钥闯?，焊縫兩側(cè)的熔合線幾乎是平行的，這是小孔焊接的特點(diǎn)。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)?zhǔn)。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(xué)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(jìn)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(xì)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(yīng)的子區(qū)域的冷卻速度[ 27 ]和[ 28 ]確定。作為焊接結(jié)構(gòu)在6毫米厚的激光焊接2毫米厚的手冊進(jìn)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(jié)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(jié)構(gòu)是相似的。然而，更細(xì)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(xì)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(xì)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。可以看出，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(yù)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(qiáng)度參數(shù)，拉伸強(qiáng)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(jié)在表4中，其中包括平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。應(yīng)該牢記的是，試樣顯然是不均勻的，因此，記錄的屈服強(qiáng)度和伸長率的值是不真正代表任何特定的微觀結(jié)構(gòu)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(qiáng)度（YS）、抗拉強(qiáng)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(yuǎn)離焊接區(qū)域的。YS，為6毫米厚的基底材料的抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為498 MPa、632 %，分別。相比較而言，明顯的屈服強(qiáng)度（YS）、抗拉強(qiáng)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(yuǎn)離焊接區(qū)域的。YS，為2毫米厚的基底材料的抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為501 MPa、633 %，分別。裂縫性的標(biāo)本在圖10。所記錄的應(yīng)力應(yīng)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(jié)果表明，激光和GTA焊接試樣的拉伸性能有非常相似的基礎(chǔ)材料在相應(yīng)的厚度。然而，焊接試樣的表觀伸長率略低與那些相應(yīng)基礎(chǔ)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(qiáng)，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(jié)果表明，材料的厚度對屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)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(qiáng)度和斷裂強(qiáng)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(jié)果的基礎(chǔ)材料是repeatable，當(dāng)測試結(jié)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(jié)果對激光焊接specimens，這三個測試的結(jié)果是市場在每個溫度圖13和