9Cr-1Mo鋼焊接殘余應力的數(shù)值模擬與實驗驗證.pdf

1、9Cr-1Mo鋼是典型的新型馬氏體耐熱鋼，與傳統(tǒng)的低合金高強鋼相比，9Cr-1Mo鋼具有較低的線膨脹系數(shù)和優(yōu)越的高溫抗蠕變性能，因此被廣泛應用于制造超臨界、超超臨界火電機組的高溫、高壓蒸汽管道。焊接殘余應力是高溫承壓組件的結(jié)構(gòu)完整性和安全使用壽命評價的重要指標之一。由于9Cr-1Mo鋼焊接接頭的焊縫和熱影響區(qū)容易發(fā)生固態(tài)相變，固態(tài)相變所導致的體積膨脹會對焊縫和熱影響區(qū)的應力有重要影響；另一方面，在厚大結(jié)構(gòu)件的多層多道焊接過程中，固態(tài)相變

2、對焊接應力的影響更加明顯。然而，單純地依賴于實驗測量的方法很難準確地預測和研究整個焊接結(jié)構(gòu)的殘余應力分布，而數(shù)值模擬技術(shù)可能成為了解決該問題的最有效方法。開發(fā)高精度的材料模型和高效率的計算方法來研究焊接應力形成過程以及最終殘余應力分布是焊接數(shù)值模擬技術(shù)研究的重要課題。
　　本研究以P91/P92鋼為研究對象，基于SYSWELD軟件建立了考慮固態(tài)相變行為的材料模型，采用移動熱源模型模擬GTAW/GMAW電弧熱輸入，并采用3D網(wǎng)格單元

3、模型，對6mm厚P92鋼平板重熔單層多道焊模型、10mm厚P92鋼平板對接多層單道焊模型、20mm厚 P92鋼平板對接多層多道焊模型以及21.4mm壁厚P91鋼圓管對接多層多道焊模型的進行數(shù)值模擬，獲得模型表面和內(nèi)部各節(jié)點的焊接殘余應力的分布。同時，采用盲孔法和應力釋放法實測了各個焊接試件表面的殘余應力，而且觀察了接頭的宏觀形貌并測量了接頭的顯微硬度。焊接溫度場和組織分布計算結(jié)果與宏觀形貌和顯微硬度分布比較吻合，同時表面焊接殘余應力的數(shù)

4、值模擬結(jié)果與實驗測量結(jié)果也比較吻合，實驗測量結(jié)果驗證了數(shù)值模擬方法的可靠性。結(jié)果表明：①6mm厚重熔單層多道焊平板在縱向上形成拉-壓相間的殘余應力分布，固態(tài)相變導致焊縫和熱影響區(qū)中形成壓應力而焊道外側(cè)靠近熱影響區(qū)的母材形成接近母材屈服強度的拉應力，后續(xù)焊接使得先焊焊縫中形成接近新相馬氏體屈服強度的拉應力。焊接應力的形成過程表明，各節(jié)點的最終應力狀態(tài)與焊接峰值溫度和再熱峰值溫度關(guān)系很大。②10mm厚對接多層單道焊平板靠近上表面的焊縫和熱影

5、響區(qū)在縱向上形成殘余壓應力，而靠近下表面的區(qū)域則形成接近新相馬氏體屈服強度的拉應力區(qū)；在橫向上平板上表面和靠近下表面都形成拉應力區(qū)，但應力峰值較小。修復焊接導致平板底部的縱向拉應力區(qū)域增大，而且橫向殘余應力的峰值也達到了新相馬氏體的屈服強度。③20mm厚對接多層多道焊平板上表面在縱向上同樣形成拉-壓相間的殘余應力分布，在下表面形成較寬的拉應力區(qū)，平板內(nèi)部的拉應力較低；在橫向上，上表面及附近區(qū)域形成較低的拉應力而下表面則形成較寬的拉應力區(qū)