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低活化铁素体/马氏体(Reduced Activation Ferritic/Martensitic,RAFM)钢由于在强辐照下具有很好的几何稳定性、低的热膨胀系数、高热导率等优良热物理特性,被认为是未来核聚变示范堆和核聚变动力堆的首选材料。目前,作为焊接结构件,许多RAFM钢在核聚变堆包层模块中得到应用,然而RAFM钢结构件的工作环境异常严酷,很多传统焊接工艺很难达到其性能要求。为适应聚变堆包层模块制造的发展,针对新型焊接工艺推广研究显得尤为重要和紧迫。
超声电弧是一种将超声与电弧耦合的焊接方法。经高频电流调制后,电弧既是热源也是超声发射源。与脉冲能量不同,超声电弧通过改变引入的声学参数对熔池产生影响。大量试验证实,超声电弧可有效改善熔焊质量并且操作简便。但是对比其它熔焊方法,超声电弧焊接工艺参数较多,除了传统焊接工艺参数外,还包括超声激励频率、超声激励电流和激励电压。针对新材料制订新工艺时,如果采用传统方法即通过大量的实物试验对工艺参数进行优化效率比较低。对于RAFM钢,较高的试验成本也会进一步限制该技术的推广。
本文以CLAM(China Low Activation Martensitic)钢和MGH956(Incoloy MA956)合金两种RAFM钢作为研究对象。基于热场分析,利用改进型三维锥体热源模型和双椭球体热源模型分别建立了CLAM钢和MGH956合金等离子超声电弧焊接熔池三维模型。然后在最佳超声空化频率范围内,应用ANSYS有限元分析软件对熔池模态进行分析,包括熔池固有频率计算和不同模态时的响应情况分析。最后,针对两种材料分别采用不同的工艺进行无填充材料的平板对接焊试验,研究不同频率超声电弧对接头组织性能影响。结果发现,谐振频率比非谐振频率更能有效降低晶粒尺寸。在谐振频率处理熔池时,CLAM钢和MGH956合金焊缝区面积均明显增加,CLAM钢焊缝区界面间棒状碳化物的生长得到抑制,硬化现象得到改善,MGH956合金焊缝内部气孔消除率达到80%,也改善了焊缝区的软化现象。利用这种计算机模拟的方法基本达到了超声电弧激励频率优化的目的。