9Cr-1Mo鋼焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(qiáng)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(yīng)用于制造超臨界、超超臨界火電機(jī)組的高溫、高壓蒸汽管道。焊接殘余應(yīng)力是高溫承壓組件的結(jié)構(gòu)完整性和安全使用壽命評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)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(dǎo)致的體積膨脹會(huì)對(duì)焊縫和熱影響區(qū)的應(yīng)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(guò)程中，固態(tài)相變

2、對(duì)焊接應(yīng)力的影響更加明顯。然而，單純地依賴(lài)于實(shí)驗(yàn)測(cè)量的方法很難準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和研究整個(gè)焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力分布，而數(shù)值模擬技術(shù)可能成為了解決該問(wèn)題的最有效方法。開(kāi)發(fā)高精度的材料模型和高效率的計(jì)算方法來(lái)研究焊接應(yīng)力形成過(guò)程以及最終殘余應(yīng)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(duì)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(dòng)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(duì)6mm厚P92鋼平板重熔單層多道焊模型、10mm厚P92鋼平板對(duì)接多層單道焊模型、20mm厚 P92鋼平板對(duì)接多層多道焊模型以及21.4mm壁厚P91鋼圓管對(duì)接多層多道焊模型的進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得模型表面和內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)的焊接殘余應(yīng)力的分布。同時(shí)，采用盲孔法和應(yīng)力釋放法實(shí)測(cè)了各個(gè)焊接試件表面的殘余應(yīng)力，而且觀察了接頭的宏觀形貌并測(cè)量了接頭的顯微硬度。焊接溫度場(chǎng)和組織分布計(jì)算結(jié)果與宏觀形貌和顯微硬度分布比較吻合，同時(shí)表面焊接殘余應(yīng)力的數(shù)

4、值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果也比較吻合，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果驗(yàn)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(yīng)力分布，固態(tài)相變導(dǎo)致焊縫和熱影響區(qū)中形成壓應(yīng)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(qiáng)度的拉應(yīng)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(qiáng)度的拉應(yīng)力。焊接應(yīng)力的形成過(guò)程表明，各節(jié)點(diǎn)的最終應(yīng)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(duì)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(yīng)力，而靠近下表面的區(qū)域則形成接近新相馬氏體屈服強(qiáng)度的拉應(yīng)力區(qū)；在橫向上平板上表面和靠近下表面都形成拉應(yīng)力區(qū)，但應(yīng)力峰值較小。修復(fù)焊接導(dǎo)致平板底部的縱向拉應(yīng)力區(qū)域增大，而且橫向殘余應(yīng)力的峰值也達(dá)到了新相馬氏體的屈服強(qiáng)度。③20mm厚對(duì)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(yīng)力分布，在下表面形成較寬的拉應(yīng)力區(qū)，平板內(nèi)部的拉應(yīng)力較低；在橫向上，上表面及附近區(qū)域形成較低的拉應(yīng)力而下表面則形成較寬的拉應(yīng)力區(qū)