论文总字数：20186字

摘 要

随着对核聚变能运用越来越迫切，反应堆材料的研究也提上日程。其中热门的材料便是9Cr2WVTa钢。9Cr2WVTa钢因具有优良的热物理、抗辐射肿胀及力学性能，被誉为未来聚变示范堆和聚变动力堆的首选结构材料。然而，9Cr2WVTa钢熔化焊焊接过程中不可避免地会形成δ铁素体，进而对材料的力学性能，尤其是冲击韧性及蠕变性能产生恶劣的影响。9Cr2WVTa钢的焊接性研究能为今后的设备制造提供理论支持。而有限元模拟则提供了很好的研究方法。

本论文采用ABAQUS有限元软件，通过材料属性设置、网格划分、边界条件设定、子程序的编写，建立了9Cr2WVTa钢单层焊焊接温度场模拟过程，分析了不同焊接热输入下的焊接热源模型。从有限元模拟的可行性与可靠性，完善双椭球热源的施加与移动，调整焊接参数（线输入，焊接高度位置等）等方面进行研究，并结合9Cr2WVTa的物理试验结果，如结晶相图等，划分出有害相的大致分布，通过多层多道焊的自热处理的特性，尽量减少处于1170-1513℃下性质较差的δ-铁素体相，达到一举多得的效果。同时可对研究进行其他钢种的推广，得出多层多道焊的通用焊接方法。

通过模拟及对结果的分析，对9Cr2WVTa钢焊接提出以下建议：尽量用小的线输入进行第一道焊；焊接厚板及开坡口焊件时，焊接线输入应先递增后递减，焊接高度一直增加，而焊接平面位置在横截面上看应覆盖两道焊缝接壤的地方，以获得最好的多道焊热处理效果。焊后应经过正火 回火热处理，改善焊缝结构，以提升焊缝质量。

关键词：9Cr2WVTa钢；焊接温度场；有限元模拟；δ-铁素体

Abstract

As the application of nuclear fusion becomes more and more urgent, the research of reactor materials is also on the agenda. The hot material is 9Cr2WVTa steel. 9Cr2WVTa steel is regarded as the preferred structural material for future fusion demonstration reactors and fusion power reactors due to its excellent thermo - physical, anti-radiation swelling and mechanical properties. However, δ ferrite will inevitably form during the fusion welding of 9Cr2WVTa steel, which will affect the mechanical properties of the material, especially the impact toughness and creep properties. The weldability study of 9Cr2WVTa steel can provide theoretical support for future equipment manufacturing. While finite element simulation provides a good research method.

In this paper, ABAQUS finite element software is used to establish the welding temperature field simulation process of 9Cr2WVTa steel single-layer welding through material attribute setting, grid division, boundary condition setting and subroutine compilation. the welding heat source model under different welding heat input is analyzed. The feasibility and reliability of finite element simulation, the perfection of the application and movement of double ellipsoidal heat sources, the adjustment of welding parameters ( line input, welding height position, etc. ) and other aspects were studied. combined with the physical test results of 9Cr2WVTa, such as crystal phase diagram, the general distribution of harmful phases was divided. through the self-heat treatment characteristics of multi-layer multi-pass welding, At the same time, the research can be promoted to other steel grades, and the general welding method of multi-layer and multi-pass welding can be obtained.

Through simulation and analysis of the results, the following suggestions are put forward for welding 9Cr2WVTa steel: try to use small line inputs for the first welding; the input of welding line should be increased first and then decreased, and the welding height should be increased all the time. the welding plane position should cover the place where the two welding seams border on the cross section, so as to obtain the best heat treatment effect of multi-pass welding. After welding, normalizing tempering heat treatment should be carried out to improve the weld structure so as to improve the weld quality.

Key words: 9Cr2WVTa steel; Welding temperature field; Finite element simulation; Delta - ferrite

目录

摘要 II

Abstract I

第一章 绪论 3

1.1 9Cr2WVTa钢研究现状 3

1.2 焊接有限元模拟发展近况 4

1.3 多层多道焊特点及现况 5

1.4 选题的背景和意义 5

1.5 本文的主要研究内容 6

1.6 焊接有限元模拟的理论基础 7

1.7 焊接热源种类与选择 8

第二章 有限元模型的建立 11

2.1 模拟母材的建立 11

2.2 网格的划分 11

2.3 其他参数设定 13

第三章 不同条件下9Cr2WVTa钢的单道焊焊接模拟 15

3.1 9Cr2WVTa钢焊接温度场的总体形貌 15

3.2 不同热源形貌下9Cr2WVTa钢热影响区形貌 16

3.3不同线能量下9Cr2WVTa钢热影响区形貌 16

3.4 不同电弧长度对热影响区的影响 18

第四章 9Cr2WVTa钢多层多道焊模拟 19

4.1 多层多道焊的原理与理论依据 19

4.2 多层多道焊改良9Cr2WVTa钢焊缝的具体原因 19

4.3 9Cr2WVTa钢多层多道焊模拟结果 20

4.4 基于模拟结果所给出的9Cr2WVTa钢焊接建议 24

4.5 基于模拟的其他钢种焊接建议 25

4.6 模拟误差及分析 25

第五章 经济性分析 27

第六章 结论 28

第一章 绪论

1.1 9Cr2WVTa钢研究现状

1.1.1 9Cr2WVTa钢开发背景

能源安全关系着一个国家的根本利益，是一个国家经济发展的根本保证^[1-6]。日益现代化发展的城市需要消耗越来越多的能源。然而当今能源结构中，化石燃料占了绝对多数。大量使用化石燃料一方面严重污染环境，另一方面其作为不可再生能源总量是越用越少，所以找到一种合适的绿色清洁能源迫在眉睫^[7-11]。

核能是一种即安全、可靠而又高效、经济的能源，根据我国核电发展规划，我国核能是一种即安全、可靠而又高效、经济的能源，根据我国核电发展规划，我国核发电量将增长更多。未来，核能在我国能源结构中将会占得越来越重的比例。然而，全球在大规模发展核电的同时，也面临着“铀资源匮乏”和“核废料污染”这两大棘手的问题，我国目前探明的铀矿储量大约有17万吨，而据预测2020年我国核电总装机大概在6000万千瓦，每年需消耗铀1万吨左右，铀资源的短缺将成为我国核电发展的一大制约因素^[12-18]。此外，随着核电产能的增长，每年大量含有铀元素的核废料将会难以处理，严重威胁人类的生存环境，因此核废料的处置也将成为未来核电发展必须优先解决的问题^[19-21]。

核聚变作为核能的一种利用方式。拥有众多优点：核聚变释放能量更多；核聚变所需的原料——氘，在海水中大量存在，且较易获得；核聚变不会产生二氧化碳等温室气体，也不会产生放射性的核废料，清洁高效^[22-25]。

然而阻碍核聚变能利用的关键突出问题就是核聚变反应需要极高的温度才能进行。距离距离堆心最近的结构，要承受巨大的高温，压力及强辐射。这就就对结构材料提出了苛刻要求：不仅要在高温高压腐蚀强辐射情况下依然保持良好的机械性能，即力学性能稳定，还要求材料抗辐照强，热膨胀小，构件尺寸稳定。目前人们已经研究利用的第一壁结构材料主要有奥氏体不锈钢、钒基合金、碳化硅材料和低活化铁素体马氏体钢。然而上述的几种材料，都存在诸如防护性能不强，使用寿命达不到预期，经济效益差不能大规模量产的突出问题^[26-30]。其中9Cr2WVTa钢作为低活化铁素体马氏体钢中的代表，在性质及经济效应上都有明显优势，受到科研人员的关注。

1.1.2 9Cr2WVTa钢组织性能特点

模拟的焊件材料设定为调质态（正火 高温回火）的9Cr2WVTa钢，其平衡状态下奥氏体化相变开始点（AC1）为857℃，奥氏体化相变结束点（AC3）为896℃。9Cr2WVTa钢的化学成分及力学性能参数见下表。

表1.1 9Cr2WVTa钢化学成分/ wt.%

表1.2 9Cr2WVTa钢力学性能数据

除了较好的力学热学和抗辐射肿胀性能外。为了能得到性能更优良的材料，9Cr2WVTa钢中还加入了诸如钒，钛等元素以改良材料性能。但过多的元素添加导致奥氏体单相区减小，铁素体转变温度降低，加之晶粒生长符合散热的方向性，极易产生δ-铁素体。虽然根据研究，低含量δ-铁素体有助于降低脆性提高材料韧性，但高含量δ-铁素体则会使材料更易产生裂纹。作为难以把控的危险因子，把δ铁素体的含量降低，就能极大地保证焊缝质量，防止热裂纹产生。

降低δ铁素体除了降低Cr元素等铁素体形成元素，还可以对焊接温度、热输入、焊接时间等进行调整，尽量避免δ铁素体的生成。本研究就通过焊缝形成阶段调控温度区间和多层多道焊的自带正火效应，来减少δ铁素体相生成。

1.2 焊接有限元模拟发展近况

随着科技的发展，尤其是电子技术，计算机技术的发展，计算机计算能力有了巨量提升，这为解决纷繁复杂的微分方程组提供了可能。上世纪六七十年代开始，这种数值解法被应用于焊接模拟中。它们不仅可以模拟焊接热场的产生与变化，经过改良和发展还能有效模拟诸如焊缝金属的凝固过程，焊接过程中产生的应力应变，焊接熔池流体力学等等。焊接模拟的出现极大的缩短了材料从研制到利用的时间，形成了“理论-模拟-实际利用”体系，极大地节约了研发成本和研发时间。

焊接有限元模拟在国外发展较早，Nockell,Wilson，P.D.Hibbert和Z.Paley,Krutz等科学家在上世纪七八十年代就有限元分析做了大量的工作，也得出了很多成果。从基本的固体热传导到复杂的焊接温度场，从设计二维焊接温度场模型到实现厚板TIG三维准稳态焊接的模拟计算。由此可见，焊接有限元模拟一直是热门的研究领域，且成果丰硕^[31-35]。

而国内由于技术所限，起步较晚，但中国人勤奋刻苦，奋起直追，也有了长足的进步。1981年，西安交通大学，上海交通大学的唐慕尧，陈楚等学者从建立薄板准稳态温度场开始，经历了从薄板到厚板，从线性温度场到非线性温度场，热源也从固定转向移动。同时现在集中精力解决三维的热传导问题。蔡洪能等人建立了移动热源下的双椭球热源模型，取得了突破。同时，上述成果也经过了实验结果的检验，完全是合理的，正确的^[36-40]。

由此可见，有限元模拟技术已经能够成熟的运用到焊接温度场的模拟中。

1.3 多层多道焊特点及现况

由于许多焊件厚度较大，单道焊很难焊透，这就需要进行多层多道焊。为了更易焊透，在对接焊缝处往往开V型K型或X型坡口。这就导致焊缝截面大小形貌能够自由控制，同时也意味着诸如线输入，焊接速度等参数也能根据需要调整。这也是本试验进行的前提条件之一。多道焊带来的自回火效应，使加热温度达到回火温度，能使前一道焊的脆硬组织软化，提高塑性和韧性。调整焊道位置和顺序，便能大幅消除焊接应力和热变形。这也是本实验要做到的目标之一。

多层多道焊在实际生产运用中又可分为长段和短段多层多道焊，其中短段多层多道焊，每段焊道长度都很短，仅为50~500mm。采用短段多层多道焊时，由于冷却时间极短，使得焊材在奥氏体转变温度以上停留时间变短，能有效避免奥氏体晶粒粗化。而长段多层多道焊则长度都较长，通常都是在第一道焊已经完全冷却后才开始进行第二代焊缝的焊接，比较适合大型平板构件。

具体落实到软件模拟上，包含的因素有如下3点所示。

（1）具体工艺条件（接头形式，电弧潜入深度，坡口形式和电弧偏移等）这些与热输入直接相关。

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