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摘 要

ODS钢凭借其优异的抗辐照和高温性能成为下一代核裂变/聚变反应堆中最有前景的核燃料包壳候选材料。ODS钢中存在大量纳米尺寸弥散分布的氧化物颗粒，采用传统熔焊方法会破坏弥散分布的氧化物颗粒，使得接头焊缝区晶粒粗大，甚至纳米析出相发生严重团簇现象，破坏材料先前的组成与性能。搅拌摩擦焊为固相连接，在焊接过程中材料不发生熔化，在理想状态下不会改变氧化物颗粒的分布与尺寸，保持其优异的性能。由于其无法大规模制备，像9Cr ODS、14YWT等材料，一般为自己设计制备或其他实验室提供，不仅成本高，其量相对较少，试验内容也会因此受限，而数值仿真只需要一台电脑就可以很好的解决这些问题。

本文基于任意拉格朗日-欧拉法（ALE）利用ABAQUS软件模拟了2mm厚的9Cr ODS钢搅拌摩擦焊接过程的温度场，采用ALE网格自适应技术，设置质量缩放系数加快运行速度。结果表明，在稳定焊接过程中，峰值温度为1108℃，达到熔点的78%。焊件上表面温度随到焊缝中心距离增加而逐渐减小，搅拌头的温度梯度大于后方，在板厚方向上离焊件上表面越远，温度越低。旋转速度越大，焊接速度越小，焊件峰值温度越高，温度变化趋势不受其影响。旋转速度对峰值温度的影响大于焊接速度。

关键词：ODS钢 搅拌摩擦焊 数值模拟 ALE 温度场

Study on the influence of process parameters on the temperature field of ODS steel welded joint of thin plate

Abstract

ODS steel has become the most promising candidate for nuclear fuel cladding in the next generation of nuclear fission / fusion reactors due to its excellent radiation resistance and high temperature performance. There are a large number of nano-sized oxide particles dispersed in the ODS steel, and the traditional fusion welding method will destroy the dispersed oxide particles, making the joint weld area coarse, and even nano-precipitated phases have serious clustering phenomenon, destroying the material. Composition and performance. Friction stir welding is a solid-phase connection. The material does not melt during the welding process. Under ideal conditions, the distribution and size of oxide particles will not be changed, and its excellent performance is maintained. Because it cannot be prepared on a large scale, materials such as 9Cr ODS, 14YWT, etc., are generally designed and prepared by themselves or provided by other laboratories. Not only is the cost high, the amount is relatively small, but the test content is also limited, but numerical simulation only A computer can solve these problems well.

In this paper, based on the arbitrary Lagrangian-Euler method (ALE), the temperature field of the friction stir welding process of 9Cr ODS steel with a thickness of 2mm is simulated by ABAQUS software. The ALE grid adaptive technology is used to set the mass scaling factor to speed up the operation. The simulation results show that the peak temperature during stable welding is 1108 ℃, reaching 78% of the melting point. The temperature of the upper surface of the weldment gradually decreases as the distance to the center of the weld increases. The temperature gradient of the stirring head is greater than that of the rear. The farther away from the upper surface of the weldment in the thickness direction, the lower the temperature. The

Greater the rotation speed, the lower the welding speed, the higher the peak temperature of the weldment, and the temperature change trend is not affected by it. The effect of the rotation speed on the peak temperature is greater than the welding speed.

Key Words: ODS steel; FSW; Numerical Simulation; ALE;Temperature Field

目录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2 氧化物弥散强化（ODS）钢 1

1.3 ODS钢焊接技术研究现状 2

1.3.1搅拌摩擦焊 2

1.3.2 扩散焊 3

1.4 超薄板搅拌摩擦焊接 4

1.5 搅拌摩擦焊数值模拟现状 5

1.5.1 搅拌摩擦焊数值模拟软件与内容 6

1.5.2 搅拌摩擦焊温度场模拟现状 6

1.6 本文研究意义、内容及技术路线 7

第二章 搅拌摩擦焊数值模型的建立 9

2.1 引言 9

2.2 温度场仿真模型 9

2.2.1 热源模型 9

2.2.2 ALE模型 12

2.2.3 CEL模型 13

2.3 导热微分方程与边界条件 13

2.4 质量缩放 14

2.5 本章小结 15

第三章 基于ALE技术的温度场模拟过程 16

3.1 引言 16

3.2 几何模型的建立 16

3.3 网格划分 17

3.4 材料属性 19

3.5 自适应网格必要性验证 20

3.6 ALE自适应网格技术设置 20

3.7 分析步设置 21

3.8 边界条件 22

3.8.1 接触边界条件 22

3.8.2 热边界条件 23

3.8.3 载荷边界条件 23

3.9 模型可靠性验证 24

3.10 本章小结 25

第四章 搅拌摩擦焊仿真结果与分析 26

4.1 温度场仿真结果与分析 26

4.2 焊接工艺参数对温度场的影响规律 27

4.2.1 旋转速度对搅拌摩擦焊温度场的影响规律 28

4.2.2 焊接速度对搅拌摩擦焊温度场的影响规律 29

4.3 本章小结 31

第五章 经济性分析 32

第六章 总结 33

参考文献 34

致谢 38

第一章 绪论

1.1引言

这些年经济和科技飞速发展，人口总数不断增加，能源消耗加快，但同时需求急剧增加，环境问题也日益突出。如何提高能源利用率并且减少对环境的破坏，保证社会经济的健康可持续发展是每个国家不得不考虑的问题。在此背景下，太阳能电池的广泛应用、兴建水电站和风力发电站、进一步开发与利用地热能和核能等新能源。核能经过近七十年的发展，凭借其经济、清洁、稳定与高效等特性，成为人类最具希望的未来能源之一。

目前世界核电站的裂变反应堆以第二代和第三代为主，相比于前两代，第四代裂变堆核与未来聚变堆由于效率高，核废料少，经济性更高备受各国关注。在此基础上选择了6种最有前景的堆型^[1]。我国在2012年进行了有第四代核电特征的石岛湾核电站建设。与此同时，因其工作环境更为恶劣，有着高温和高压、强辐射等特点，对核系统的结构材料尤其是燃料包壳要求更高。ODS 钢凭借其良好的的高温稳定性、抗辐照能力、抗氧化以及抗腐蚀性能，成功的应用在了恶劣的高温高压和强辐照等恶劣环境中，并成为下一代核裂变/聚变反应堆中最有前景的核燃料包壳候选材料^[2,3]。

1.2 氧化物弥散强化（ODS）钢

氧化物弥散强化（ODS）钢，是利用机械合金化（MA）方法，将纳米尺度的氧化物粒子（如Y₂O₃）均匀且弥散分布于合金基体中，通过细晶强化与弥散强化，显著增强了材料的高温性能。

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