固態(tài)相變對P92鋼多層多道焊接殘余應力影響的研究.pdf

1、電力工業(yè)是經濟社會發(fā)展的基礎，我國及世界范圍內在相當長的時期內仍將以火電發(fā)電為主。在環(huán)境問題日益嚴重，電力需求日益增長的雙重壓力下，使用熱效率更高的超臨界或超超臨界發(fā)電機組是解決這一矛盾的有效方法之一。P92鋼因具備優(yōu)良的高溫力學性能，在超（超）臨界發(fā)電機組中得到了越來越多的應用。焊接作為一種金屬連接方法，廣泛應用于制造火力電站裝備中的承受高溫壓力容器與管道。電站設備中的 P92鋼結構幾乎都需要采用焊接工藝才能進行裝配或制造。由于 P9

2、2鋼的合金成分特點，在焊接過程中，即使在空冷的條件下，焊縫及熱影響區(qū)也幾乎全為馬氏體，因此，焊接時有一定冷裂紋敏感性。在服役中的P92鋼焊接接頭的主要失效形式是熱影響區(qū)附近的IV型裂紋，雖然IV裂紋的機制目前尚不十分清楚，但不少學者認為焊接殘余應力對P92鋼焊接接頭IV型裂紋的誘發(fā)可能有較大的影響。另一方面，在采用焊接方法修復 P92鋼構件時，一般難以進行焊后熱處理，故焊接殘余應力也難以得到減緩和改善，因此，在這類接頭中焊接殘余應力是個

3、十分值得關注的問題?；谝陨蟽牲c，P92鋼焊接接頭的殘余應力成為了目前的研究熱點之一。
　　本文在焊接專用軟件SYSWELD的基礎上，開發(fā)了考慮固態(tài)相變的“熱-冶金-力學”耦合有限元計算方法，來模擬P92鋼焊接過程中的溫度場、組織場和殘余應力。制備接頭金相，觀察了焊接接頭的組織分布并測量了硬度，驗證了組織場計算的準確性。采用小孔法測量了焊接接頭的殘余應力，同時也引用了現(xiàn)有文獻中采用中子法測得的應力值來與計算結果進行比較。通過實驗值

4、與模擬值的對比，驗證了本文所開發(fā)有限元計算方法的有效性和妥當性。單道焊接計算中，通過精心設計計算模型，基于計算結果詳細考察了固態(tài)相變產生的體積膨脹效應、屈服強度變化和相變塑形對P92鋼焊接殘余應力的影響。通過對P92鋼兩道TIG重熔焊接過程的模擬分析，澄清了P92鋼在多重熱循環(huán)焊接過程中的“溫度-組織-應力”演化過程，闡明了固態(tài)相變對焊接殘余應力的影響機制。通過對 P92鋼四道重熔焊接的數值計算，得到了多層焊接應力分布，同時通過不同層間

5、溫度的設置，考察了層間溫度對 P92鋼焊接殘余應力的影響。預測了P92鋼中、厚板對接接頭的焊接殘余應力分布。
　　研究結果表明：焊縫及HAZ馬氏體相變引起的體積膨脹對P92鋼焊接殘余應力有十分顯著的影響，不僅可以改變縱向應力值的大小，甚至可以改變其應力的符號；屈服強度的變化對焊接殘余應力有較大的影響；相變塑形對焊接殘余應力有一定的“松弛”效應。多層多道焊接過程中，后焊焊道對先焊焊道的殘余應力分布有顯著的影響。整體而言，在多層多道焊

6、接時，最后蓋面焊道層相對于其它焊道層而言對整個接頭的殘余應力的最終分布影響最大，而且最后一道焊道對整個焊接接頭殘余應力最終分布的影響在所有焊道中也是最大的。
　　本文采用所開發(fā)考慮固態(tài)相變的“熱-冶金-力學”耦合有限元計算方法，分別模擬計算了P92鋼3層5道及6層11道中、厚板焊接接頭的殘余應力，所得結果對工程實際中 P92鋼焊接構件的接頭評價及壽命評估有一定的參考意義。此外，本文所開發(fā)的考慮固態(tài)相變的“熱-冶金-力學”耦合有限元