P92-SUS304異種鋼焊接接頭殘余應力的研究.pdf

1、鐵素體/奧氏體異種鋼焊接接頭在火電機組中是不可避免的一種接頭形式。由于材料化學成分、冶金組織及力學性能不均勻，異種鋼焊接接頭在服役過程中常會發(fā)生早期失效，成為制約鍋爐服役壽命的關鍵因素。造成異種鋼焊接接頭早期失效的主要原因是焊接過程中的碳擴散以及由于線膨脹系數(shù)不一致所導致的熱應力。鐵素體/奧氏體異種鋼焊接接頭的早期失效主要是由蠕變裂紋引起的。焊接殘余應力可能是引起蠕變裂紋的重要因素，而采用合適的填充材料可以明顯提高焊接接頭服役壽命。鐵素

2、體/奧氏體異種鋼焊接接頭常采用奧氏體不銹鋼焊接材料或鎳基合金作為填充金屬。當采用奧氏體不銹鋼填充材料的鐵素體/奧氏體異種鋼焊接接頭在臨界溫度服役時，由于鐵素體鋼具有較低的線膨脹系數(shù)，鐵素體鋼管會限制奧氏體焊縫的膨脹，在材料界面處形成較大的應力梯度，導致焊接接頭的早期失效。采用線膨脹系數(shù)較低的鎳基合金填充材料可以明顯提高焊接接頭的服役壽命。
　　本研究在Sysweld焊接專用有限元軟件的基礎上，考慮固態(tài)相變、加工硬化及退火軟化的材料

3、模型進行熱-冶金-力學有限元計算，對P92/SUS304異種鋼平板對接接頭和圓管對接接頭的溫度場、組織場和應力場進行了數(shù)值模擬和實驗驗證。通過對比模擬結果和測量結果，驗證了所建立的考慮固態(tài)相變、加工硬化及退火軟化的熱-冶金-力學有限元計算模型的有效性。然后，根據(jù)實驗測量結果和模擬結果對P92/SUS304異種鋼接頭的殘余應力分布進行分析，從應力角度分析可能引起此類異種鋼焊接接頭早期失效的原因。本課題還研究了坡口類型、焊接層數(shù)和填充材料對

4、P92/SUS304異種鋼平板對接接頭殘余應力分布的影響，希望能通過改變焊接條件控制焊接殘余應力，降低發(fā)生早期失效的風險。進一步的，采用所建立的有限元計算模型，本課題對核電典型鐵素體鋼/奧氏體鋼異種鋼接頭SFVQ1A/SUSF316異種鋼管焊接殘余應力進行了數(shù)值模擬和實驗驗證，分析了熔覆、堆焊、熱處理和焊接等多種加工工藝對焊接殘余應力的影響。結果表明：對于 P92/SUS304異種鋼平板對接接頭，其縱向殘余應力分布比較復雜，在P92鋼一

5、側，在溫度達到Ac3以上的區(qū)域內(nèi)，由于固態(tài)相變體積膨脹的影響形成壓應力，在完全相變區(qū)外圍區(qū)域內(nèi)形成較大的拉應力。在Alloy82鎳基合金焊縫和SUS304不銹鋼熱影響區(qū)內(nèi)，縱向殘余應力基本為拉應力。在材料界面處，由于線膨脹系數(shù)差異導致的拘束作用形成應力梯度。由于加工硬化因素，SUS304不銹鋼一側拉應力峰值大于其常溫屈服強度。對于P92/SUS304異種鋼圓管對接接頭，其周向殘余應力分布與P92/SUS304異種鋼平板對接接頭縱向殘余應

6、力分布規(guī)律一致，但應力水平整體下降。在焊縫起始/終止位置，軸向殘余應力的分布比較復雜。通過對SFVQ1A/SUSF316異種鋼管焊接接頭殘余應力的研究，發(fā)現(xiàn)在熱處理過程中，先前由于熔覆和堆焊形成的應力基本被消除，隨后冷卻時形成新的應力分布。說明對SFVQ1A/SUSF316異種鋼管焊接接頭進行熔覆、堆焊、熱處理和焊接全過程數(shù)值模擬時，需要重點考慮熱處理過程對應力變化的影響。數(shù)值模擬結果與實驗測量結果吻合良好，說明所建立的考慮固態(tài)相變、加