张腾, 李鹏远, 孙振超, 魏海鸿, 刘晨曦

(1.核工业西南物理研究院,成都 610225;2.天津大学,天津 300350)

0 前言

国际热核聚变试验堆计划(ITER),是目前全球最大的国际科研合作计划之一。ITER装置是一个能产生聚变反应的超导托克马克,俗称人造太阳[1]。国际热试验堆在设计寿命为20年,预计运行次数为3万次。低温超导磁体系统作为ITER装置关键部件由环向场线圈、极向场线圈和校正场线圈组成[2-3]。其中极向场线圈起着等离子体的电流和位形用的关键作用。在极向场线圈上有72个316LN异形超导线圈支撑,该部件直接与低温超导线圈接触,服役于4 K极低温,12 T强磁场,14 MeV中子辐照环境下,要承受3万次放电带来的冲击载荷[4]。该异形超导线圈支撑结构的制造方式以TIG焊接为主,再加上少量的机械加工。控制焊接变形的同时保证焊缝金属在低温下力学性能是其制造的关键。

316LN奥氏体不锈钢由于具有较高的热膨胀系数和较低的热传导系数,在焊接过程中产生较大变形和残余应力。过大的焊接变形和残余应力不仅降低结构的承载能力及疲劳强度,而且可能导致部件无法正常装配。因此,焊接变形和残余应力的控制对大型结构焊接生产的确定尤为重要。近年来随着计算机的发展,固有应变、热弹塑性有限元等各种数值模拟方法越来越多的运用在实际的焊接生产中[5-6]。对 304及316L奥氏体不锈钢大型复杂结构的焊接变形的研究较多[7-9]。 但由于缺乏焊接残余应力和变形计算所需要的性能数据,关于 316LN材料结构的焊接变形研究主要集中在简单结构如平板对接以及管对接方面[10-11],且未见对复杂316LN结构焊接变形及残余应力的数值模拟计算研究。……