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《中南大学》 2014年
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钨/钢钎焊残余应力分布的数值模拟及实验验证

刘昊阳  
【摘要】:核聚变堆示范装置(DEMO)的偏滤器设计对钨与钢的连接提出了新要求。但因钨与钢的物理性能如弹性模量和热膨胀系数等相差大,在连接和服役过程中将产生高的热应力导致失效。因此,钨与钢的连接已经成为制约DEMO发展的一个重要技术瓶颈。钎焊是实现钨与钢连接的有效方法,要获得高质量的钨/钢钎焊接头,对钎焊接头内残余应力的分布进行分析至关重要。 本文采用ANSYS软件对钨/钢钎焊接头的残余应力进行二维和三维数值模拟,分析了添加中间层对钨/钢钎焊接头残余应力分布的影响,采用纳米压痕法检测钨/钢钎焊接头残余应力,并对有限元模拟结果进行实验验证。研究结果表明: (1)接头最大径向残余压应力位于焊缝附近的钨基体内,最大径向残余拉应力位于接头自由边界处的钎料层内;接头内部轴向残余应力较小;接头内部周向残余应力与径向残余应力大小及分布规律相似。 (2)软质Cu层的加入及其厚度的增加可大幅度降低钨基体内的径向残余压应力,但Cu层厚度过大会引起极大的界面径向残余拉应力(在W-Ni界面反应层),如钨/0.5Cu/钢钎焊接头此处残余拉应力高达769MPa,导致接头抗拉强度急剧降至88.85MPa。硬质中间层Ta及其厚度的增加对接头残余应力的影响较软质Cu中间层小的多。 (3)添加不同中间层的钨/钢钎焊接头抗拉强度分布为:钨/0.2FeNi/钢钎焊接头(310.67MPa)钨/0.03Cu/钢钎焊接头(267.52MPa)钨/0.5Ta/钢钎焊接头(256.45MPa)钨/钢钎焊接头(159.90MPa),且各焊接接头断裂失效均首先发生在焊缝附近的钨基体内,其规律与模拟所得各中间层钨/钢钎焊接头残余应力的分布规律相吻合。 (4)钨/钢钎焊接头残余应力的二维和三维模拟具有很好的一致性,纳米压痕法测得方形钨/钢钎焊接头表面平均残余应力从边缘到中心逐渐降低,其测量结果的整体分布规律与模拟结果吻合良好。
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TG454;TG404

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