核电设备典型镍基合金焊接接头力学性能评定及焊缝金属热裂纹敏感性分析.doc
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1、核电设备典型镍基合金焊接接头力学性能评定及焊缝金属热裂纹敏感性分析 上海交通大学硕士学位论文核电设备典型镍基合金焊接接头力学性能评定及焊缝金属热裂纹敏感性分析姓名:张茂龙申请学位级别:硕士专业:材料加工工程指导教师:陆皓;牛明安20030301海交通夫学硕士论文核电设备典型镍基合金焊接接头力学性能评定及焊缝金属热裂纹敏感性分析摘要本文以秦.二期核电站反应堆压力容器接管一安全端异种金属镍基合金接头焊接为背景。秦山二期核电站反应堆压力容器,是我国制造的首台级的反应堆压力容器,其中的镍基合金部件及合金系统,有关的镍基合金焊接材料均采用了合金系统材料应用于反应堆压力容器在国内是首次。其接管一安全端异种
2、金属镍基合金焊接,即带有不锈钢堆焊层的低合金钢和不锈钢之间的焊接,一直是反应堆压力容器焊接巾最大难点之一,主要问题依然是微裂纹和力学性能塑性下降。本课题结合秦山二期核电站反应堆压力容器的制造,在产品接管一安全端异种金属接头实施焊接前,通过试验分析研究以明确 焊缝金属中产生裂纹和塑性下降的原因和影响因素,以优化焊接一艺参数。本文主要进行了如下几方面工作:讨论了镍基合金焊接的几个主要问题,即焊接热裂纹、焊缝巾气孔和焊缝金属塑性下降等,对热裂纹产生的机理、镍基合金热裂敏感性较强、易产生气币塑性下降的原因作了初步的讨论。进行了焊缝金属性能试验,就所选用的焊接材料和确定的自动脉冲氩弧焊工艺进行堆焊、板对
3、接和管子对接焊接对比试验,对焊缝金属的金力学试验结果进行分析讨论。对出现的问题:焊缝中的微裂纹、气孔和焊缝金属塑性彳足就其产生的原因进行分析,探讨焊接材料化学成分和焊接工艺参数等条件对其的影响程度。对 合金焊接热裂纹敏感性进行了分析和评价。进行了验证试验,完全模拟反应堆雎力容器接管一安全端异种金属接头的结构特征和焊接条件,制备和焊接试件。在焊缝金属性能试验和分析的基础上,为降低热裂纹、气孔敏感性,减少焊缝金属塑性下降量,提山优化的焊接工艺参数和辅助工艺措施。对焊接完成后的试件焊接接头、焊缝金属的理化和力学性能按反应堆压力容器技术条件的相应要求进行全面的评定。通过试验和分析,本文对焊接材料化学成
4、分、工艺参数和辅助工艺措施等因素对合金焊接性的影响程度作了初步的分析研究。对反应堆压力容器接管一安全端接头镍基合金焊接提出了一套完整的优化工艺,有效地解决了 焊接热裂纹、气孔和焊缝金属塑海交通人学硕二:论文性降低等问题,对反应堆压力容器的制造提供了技术保障。关键词:镍基合金,焊接,力学性能,热裂纹海交通大学硕士论文.? . ? .。. . ?.:?, ., , ,。, . .海交通人学硕士论文. .,. . . ,.,.上海交通大学 上海父逋大罕学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究:作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他
5、个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到奉声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:夯浓矿日期:伽文年弓月日上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交沦文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进亍检索,可以采朋影印、缩印或扫描等复制手段保存年汇编本学位论文。保密函在弓年解密后适川木授权书。本学位论文属丁不保密口。请在以二疗框内打“”丈 签钇学位酗 竹青指导教师签名辛
6、德屹诮日期巾 年 月 出湘 每乍 ,日期:了月旷日海交通大学学位沦文答辩决议书所以利【 再捌料棚瑗张茂龙 与、论艾题瘕电馅安型锰瑾台主辑援礁爱力等饪自评足硬婢疆重届投裂更敞密悭萄、电爸娜日姘 地却孵崩支逋大髻瓶饪弘主毡 鲻委员会成员姓 名 学 位 职 称 签 乞承援汪醚毒土向炙通太嘻可遗哞撇.上喝乏通气寻姚萄穗哪、每日髭 局工向锯厂稻阪玄司 多杉;照儆毛蛸殳遁久孳 拗受力,薹评语丰次议:讫.殳从泰山二鞠姚礁医力涪强镌嚆/安玺瑞寻科生属饶甚莒盘气雉件下酌讽舷仟腰酸拟毋遭行碍癌力学程毹幺凸气足,升长刷倒?“城驾斛疗纠姐气象舛下瑶癯崩泌拍伍硬煽晌因熹。记心研艽攻呆对偿嬲啼徽痒为髫辩牢糨乏痛楚,缸呈知
7、日日,舒铷狮刍铭也地仅删列】趣?疋表决结果:,识迫,答辩委员会主席建峰。签名,海交通人学硕二论文第一章绪论第一章绪论.研究背景和目的材料、能源和信息是现代科技发展的三大支柱,而能源是人类生存和发展的基础,是国民经济的攮础产业。在新能源的丌发中,核能是比较现实的选择之?,核能将成为二一世纪主要的能源,人们已普遍认为,核能是一种安全、可靠、经济和清洁的能源,符合可持续发展的方向。核电站是核能和平利用的主要途径,压水堆核电站是世界上技术相对最成熟的反应堆。压水堆核电站的核岛中三人主设备:反应堆压力容器、蒸汽发生器和稳压器包含三大捌料系统,刘低台会高强钢,/锻件和铡板,超低碳奥氏体不/ 等锻锈钢/锻件
8、和管材,以及镍基合余件和管材。对这些材料接头或堆蜱层和隔离层的焊接/堆焊,同样包括上述三类合金系统的焊接材料,其中不锈钢再“吒合金铡之【、镍基合会与不锈钢或低合会铡之间异彳金属接头镍点合金烀接足炎复杂、要求离、难度火的技术,某些焊接闷题到日也朱能很好解决。任核电站的运仃过程,这些焊接接头承受腐蚀、高温、高压、中子辐照和疲劳载衙的作用,在穴水和事故状态还承受冲击载荷和腐蚀应力的作川,篮求绝对。奠今稚:。镍基龠金其有良好的高温性能、抗腐蚀晶间腐蚀、应力腐蚀等性能、抗高温蠕变性能、抗疲劳性能、抗中了辐照性能及介于低合会钢和不锈钢之间的热膨胀系数,被应用二不锈钢与低合金钢之刚过渡连接焊接材料、蒸汽发生
9、器的形换热管、反应堆压力容器的管庸及中子测量管座等关键部位。早期核电站主设备应用的镍基合盒主要为 和合会系统,从二十世纪八纠初切始,【在。塑核。的在役检查中,发现上述合金系统的部件和焊缝存在不少的应力描蚀裂纹。分析研究后认为和镍躲台;:材料本身的合金系统有荚,所以从此以后,新建的核电站主设备巾的镍基合金更改抗应力腐蚀性能优良的合盒系统,一二种利料的化学成分见表.。早期焊接材料采用的足 合盒系统焊接材料,二十世纪八十年代后期美国公司首先”发了出了使合于 合金系统的核级专用焊接材料。系统镍基合会,含碳量低,铬含量高,具有出色的抗各种水介质和高温气氛腐蚀的性能,在高温水环境中,表现出腐蚀率低和优良的
10、抗应力腐蚀性能,这花是核电设备所期盼的;除此之外,还有强度高、冶会稳定性好和加工工艺性合适等特点。实践表明,通过定的艺措施, 材料本身,以达到较好的焊接性,但是具有合会系统的焊利焊接时,仍然存在众所周知的问题:第一章绪论 上海变通大学硕:论文表 镍基合金化学成分首先焊缝中易产生裂纹和微裂纹热裂纹;其次大厚度异种金属接头镍基合金焊缝金属延伸率出现降,第三就是焊缝对气孔敏感性较大。特别是焊缝中的微裂纹问题和焊缝金属延伸率下降问题,一直是困绕焊接方面的难题。有关文献介绍中,合盒系统焊缝的抗热裂纹能力较好,其热裂纹敏感性要比材料低。但是,如果焊缝成分控制不好,或者焊接二:艺未进行优化,裂纹发生的概率依
11、然会很高,同时,焊缝会属力学性能特别是拉伸延伸率和断面收缩率的裕度较低。秦山二期核电站反应堆压力容器中接头结构见图一镍基合金部件及有关图一】反席堆压力容器平接管一安全端接头结构简倒.一上海交通学硕论文第一帝绪论合命系统,其中接管一安全端异种金的镍基合会焊接材料均采川了属镍基合会焊接.即带有不锈钢堆焊层的低合盒钢和不锈钢之间的焊接,一直是反应堆压力容器焊接中最大难点之一,主要问题依然是微裂纹和力学性能下降。在制造前期镍基合盒的焊接试验中,焊缝中也发现了少量的微裂纹及焊缝金属延伸率下降较多,本研究结合秦山二期核电站反应堆压力容器的制造,在产品接管一安全端异种金属接头实施焊接前,通过试验研究以明确
12、焊缝金属中产生裂纹和塑性下降的原因和影响因素,列所采用的镍基合会焊接材料按产品接头的结构和技术条件对其理化和力学性能作出全面的评定,提出合理的焊接工艺方法、焊接规范参数和工艺措麓,应用于我国酋台国产反应堆压力容器接管安全端异种金属镍基合会接头的焊接,使接头性能满足技术条件的要求。.综述.结晶裂纹镍基合盒焊接热裂纹主要有结晶裂纹、液化裂纹和高温失塑裂纹“。焊缝?发现结晶裂纹和高温失塑裂纹,其最敏感的是结晶裂纹。焊缝余属在结晶过程中,常情况下,总要经历液态?液固态?同液态?固态儿个阶段,在液固态液相占要部分时,液桐的流动能够补偿结晶收缩和任何应变,也即固相晶体之的间隙能及时被流动的液态金属所填充,
13、这样就把应力限制到了很小的值,因而在浚阶段不会形成裂纹。在固液态固相占主要部分时,晶体可以交织长合成骨架,局部联生,形成封闭的液膜,使少量的液态余属主要是低熔点合金的自由流动受到限制,这时塑性形变的基本特点是晶体间的相互移动,晶体本身也可能发生一些变彤。晶体问残存的液相不易自山流动,在拉伸应力作用下所产生的微小缝隙都无法充,技品问的液相的流动不再能够减少应变,塑性降低到最低,?占们儿乎小能提供机械力。就可能扮演裂纹源的角色,稍有拉伸应力就有产生裂纹的”,能, 这个阶段叫做“脆性温度区”,即图上日之川的温度范围。当会属全鼹凝豇后,它的变形能力又得到迅速提高,很难发生裂纹。脆性温度唰与合金状态图的
14、“有效结晶温度区州”存在对应关系,如图。在脆性温度区削材料的低塑性或脆化只是形成热裂纹的条件之一,如无拉伸应力引起发生并达到一定的应变量则不会产生裂纹。因此,是否产生裂纹,除了与反映金属本身特性有关的冶会因素即胎性温度区削与塑性变形能力。有关外,还取决丁力学因素即会属在该区问内随温度下降的应变发展情况署。当合盒在脆性温度区问内的应变咀直线的斜率增长时,则其达到的内应变量则不会产生裂纹;如为直线时,。,必定产生裂纹;如按直线增长,则在黾时,。?好是产生结晶裂纹的临界条件,称为临界应变增长率:与材料特性,。订笑,它综合地反映了材料结品裂纹的敏感性。因上海交通大学硕士论文第一帝绪论的镍基合金焊接材料
15、均采用了 合会系统,其中接管一安全端异种金属镍基合会焊接,即带有不锈钢堆焊层的低合余钢和不锈钢之间的焊接,一直是反应堆压力容器焊接中最大难点之一,主要问题依然是微裂纹和力学性能下降。在制造前期镍基合金的焊接试验中,焊缝中也发现了少量的微裂纹及焊缝金属延伸率下降较多,本研究结合秦山二期核电站反应堆压力容器的制造,在产品接管一安全端焊缝金属中产生裂纹异种金属接头实施焊接前,通过试验研究以明确和塑性下降的原因和影响因素,对所采用的镍基合余焊接材料按产品接头的结构和技术条牛.其理化和力学性能作出全面的评定,提出合理的焊接工艺方法、焊接规范参数和工艺措麓,应用于我国首台国产反应堆压力容器接管一安全端异种
16、金属镍基合会接头的焊接,使接头性能满足技术条件的要求。.综述.结晶裂纹镍基合会焊接热裂纹主要有结晶裂纹、液化裂纹和高温失塑裂纹”。焊缝巾发现结晶裂纹和高温失塑裂纹,其最敏感的是结晶裂纹。焊缝余属在结晶过程巾,常情况下,总要经历液态?液固态?固液态?固态几个阶段,在液固态液相占要部分时,液桐的流动能够补偿结晶收缩和任何应变,也即固臼晶体之的间隙能及时被流动的液念金属所填充,这样就把应力限制到了很小的值,因而在该阶段不会形成裂纹。在固液态固相占主要部分时,晶体可以交织长合成骨架,局部联生,形成封闭的液膜,使少量的液态余属主要是低熔点合金的自由流动受到限制,这时塑性形变的基本特点是晶体问的相互移动,
17、晶体本身也可能发生一些变彤。晶体问残存的液相不易自山流动,在拉伸应力作用下所产,虹的微小缝隙都?法填充,枝品洲的液相的流动不再能够减少应变,塑性降低到最低,?。占们儿乎不能提供机械阻力,就可能扮演裂纹源的角色,稍有拉伸应力就有产,上裂纹的叮能, 这个阶段叫做“脆性温度区”,即图.上之的温度范围。当会属全郑凝固后,它的变形能力又锝到迅速提高,很难发生裂纹。脆性温度区川与合食状念图的“有效结晶温度区问”存在对应关系,如图.。在脆性温度区削材料的低塑性或脆化只是形成热裂纹的条件之一,如无拉伸应力引起发生并达到一定的应变量则不会产生裂纹。因此,是否产生裂纹,除了与反映金属本身特性有关的冶会因素即纷睦温
18、度区与塑性变形能力。有关外,还取决于力学因素即会属在该区间内随温度下降的应变发展情况。当合金在脆性温度区阳内的应变以直线的斜率增长时,则其达到的内应变量 则不会产生裂纹:如为直线时,。必定产生裂纹;如按直线增长,则在时, 好是产生结晶裂纹的临界条件,称为临界应变增长率:与材料特性,。订荚,它综合地反映了材料结品裂纹的敏感性。因海交通人学硕士论文第一章绪论此,是裂纹敏感性更为合适的判据。当时必定发生裂纹。? 。“ 。./父? ? %一幽.结品过科中的脆性温度区?. 。心鑫处狲/&. .蜇羼:.一芷又墨、.%蚓.凝川温度区间塑性变化特点及裂纹形成条什”.?虫上所知,凝裂纹的产生与否主要取决于以两个
19、方面:脆性温度区内金属所具有的塑陛胁即凝固裂纹的阻力;在脆性温度区问内会属变形率大小即凝固裂纹的驱动力。当时,就产生裂纹。因此,要实现焊接凝固裂纹开裂倾向预先应获得两方面的数据:材料在脆性温度区间的凝固裂纹阻力曲线和这一温度区间的驱动力。对于凝固裂纹曲线即凝固塑性曲线,可通过试验测试得到。而凝固裂纹的驱动力曲线影因素因素非常复杂,与不同的焊接工艺、接头的结构密切相关,所以目主要采数值分析方法获得。影响热裂纹产生的因素包括冶金因素和力学二海交通大学硕上论文第一章结论因素,冶会因素是最基本的,主要由材料的合金系统合会元素所决定。一般认为,合金系统的焊接材料包括具有较好合金的焊接性,可变拘束试验结果
20、表明其热裂纹敏感性比系统的焊缝金属要低”,但在实践中,仍然发现了出现微裂纹和塑性下降等镍基合金焊接易发生的问题。 系统焊接材料丌发至今只有年时间左右,缺乏比较系统而全面的研究,特别是在热裂纹机理方面。为了解合金成分和焊接工艺参数对 材料焊缝性能的影响,采用焊接性能和焊接工艺试验方法来进行研究是必须却有效的手段,同刚,利用计算机技术,对系统焊缝金属热裂纹敏感性用数值分析的方法进行预测或评估具有十分重要的现实意义,这样做,能更进一步明确机理,优化合余成分,在采购材料时提出更合理的成分范围:同时可以减少试验,节约昂贵的镍基材料,并将选择焊接工艺参数中凭经验或感觉的程度降到最低。借助汁算机刚数值分析的
21、方法剐焊接桐关过程进行模拟和预测,是当前焊接技术一个发展方向,并且已在焊接传热传质、温度场、动态应力应变、残余应力应变、组织预测、扩敝氢等乃丽已取得了卓有成效的:作”刚” 在焊接热裂纹敏感性的预测评估方丽,国内外已:展了相关的作,并取得了一定的成果”。对热裂纹进行预测的判掘目莳主要有髓秘方法,一秘方法是通过数值模拟来获得脆性温度区的应变量热裂纹驱动力,与焊缝金属临界应变热裂纹的阻力进行比较来判断热裂纹产生与否,当 时,就确定产了裂纹,文献刈此作了究。一种方法带有一一定的经验假设,对热源届丽沿着焊缝中心线液固混合区中固相分数在.至.之涮的豁位对横向应力进行计算,如果横向应力是拉伸,则假设产生了裂
22、纹,文献就采用了这种方法对航空用超合金的焊接性进行了数值分析。从理论上束说,第一种方法应是比较准确的,但是,数值分析中要用列材利村和焊缝金属的许多物理性能,特别是高温状态下物理性能受到铡量于段的限制,非常缺乏,必须要做一定的假殴和推算,使亡算的精度受到影自,同时,焊缝:凝同过程凝固点是变化的,特别是对热裂纹有明显影响的低熔共晶的存在,使凝吲温度大大下降,这在热裂纹的数值分析中很难加以考虑,这些冈素也使热裂纹数值模拟预测的可靠性下降。影响热裂纹除了材料母材和焊材小身化学成分、纰织等要闪素外,还和接头结构、蚪接工艺、坏境、焊道布骨等许多因素有关,通过可变拘束试验或试验测得的热裂纹的阻力即临界应变牢
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