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《河南理工大学》 2010年
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瞬时液相扩散连接及其热应力有限元模拟研究

梁峰  
【摘要】: 本文综述了瞬时液相扩散连接的理论依据、数学模型以及国内在瞬时液相扩散连接工艺方面所取得的成果。本次研究采用开放环境下的瞬时液相扩散连接设备,采用氩气保护,利用中频感应加热方式快速加热进行扩散连接,主要研究了在民用及电站锅炉设备中常用的优质碳素钢20钢管的瞬时液相扩散连接工艺,应用有限元数值模拟软件ANSYS对其在连接过程中的温度场和应力场进行模拟分析。 采用镍基BNi2作为20钢管TLP连接的中间层材料,依据建立的三因素(连接温度、保温时间、连接压力)三水平正交优化试验表L9(34)进行TLP连接试验。根据实验结果可知,连接温度对TLP连接接头的性能有着显著的影响,但连接压力也是影响TLP连接接头抗拉强度的重要因素。通过对不同工艺参数下的TLP连接接头进行力学性能分析、拉伸断口扫描以及界面处元素的分布、显微硬度测定可知,20钢管在连接温度为1160℃、保温时间为3min、连接压力为4MPa时可以获得良好性能的连接接头。 对20钢管瞬时液相扩散连接的有限元温度场模拟结果分析表明,在瞬时液相扩散连接冷却过程中,焊缝以及邻近焊缝的母材处温度在冷却初始阶段急剧下降,造成残余应力的集中,从而影响TLP连接接头的性能,并随着初始温度的增大,焊缝变形就越严重;通过对其应力场模拟结果分析,在冷却过程中,靠近焊缝的部分应力较大,而中间层区域的应力则低于焊缝两侧的母材,即:残余应力主要集中在靠近中间层的母材附近,而中间层(焊缝)处的残余应力与之相比就较小,所以靠近中间层的区域是TLP连接接头的性能薄弱区,由于在冷却的初始阶段焊缝及焊缝两侧的母材部分的应力急剧下降,合理选用中间层可以缓解应力的集中,从而增加TLP连接接头的性能。
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