固態(tài)相變對(duì)P92鋼多層多道焊接殘余應(yīng)力影響的研究.pdf

1、電力工業(yè)是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)，我國(guó)及世界范圍內(nèi)在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)仍將以火電發(fā)電為主。在環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重，電力需求日益增長(zhǎng)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(jī)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(xué)性能，在超（超）臨界發(fā)電機(jī)組中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。焊接作為一種金屬連接方法，廣泛應(yīng)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(shè)備中的 P92鋼結(jié)構(gòu)幾乎都需要采用焊接工藝才能進(jìn)行裝配或制造。由于 P9

2、2鋼的合金成分特點(diǎn)，在焊接過(guò)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(shí)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(jī)制目前尚不十分清楚，但不少學(xué)者認(rèn)為焊接殘余應(yīng)力對(duì)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(fù) P92鋼構(gòu)件時(shí)，一般難以進(jìn)行焊后熱處理，故焊接殘余應(yīng)力也難以得到減緩和改善，因此，在這類接頭中焊接殘余應(yīng)力是個(gè)

3、十分值得關(guān)注的問(wèn)題。基于以上兩點(diǎn)，P92鋼焊接接頭的殘余應(yīng)力成為了目前的研究熱點(diǎn)之一。
　　本文在焊接專用軟件SYSWELD的基礎(chǔ)上，開發(fā)了考慮固態(tài)相變的“熱-冶金-力學(xué)”耦合有限元計(jì)算方法，來(lái)模擬P92鋼焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)、組織場(chǎng)和殘余應(yīng)力。制備接頭金相，觀察了焊接接頭的組織分布并測(cè)量了硬度，驗(yàn)證了組織場(chǎng)計(jì)算的準(zhǔn)確性。采用小孔法測(cè)量了焊接接頭的殘余應(yīng)力，同時(shí)也引用了現(xiàn)有文獻(xiàn)中采用中子法測(cè)得的應(yīng)力值來(lái)與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。通過(guò)實(shí)驗(yàn)值

4、與模擬值的對(duì)比，驗(yàn)證了本文所開發(fā)有限元計(jì)算方法的有效性和妥當(dāng)性。單道焊接計(jì)算中，通過(guò)精心設(shè)計(jì)計(jì)算模型，基于計(jì)算結(jié)果詳細(xì)考察了固態(tài)相變產(chǎn)生的體積膨脹效應(yīng)、屈服強(qiáng)度變化和相變塑形對(duì)P92鋼焊接殘余應(yīng)力的影響。通過(guò)對(duì)P92鋼兩道TIG重熔焊接過(guò)程的模擬分析，澄清了P92鋼在多重?zé)嵫h(huán)焊接過(guò)程中的“溫度-組織-應(yīng)力”演化過(guò)程，闡明了固態(tài)相變對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響機(jī)制。通過(guò)對(duì) P92鋼四道重熔焊接的數(shù)值計(jì)算，得到了多層焊接應(yīng)力分布，同時(shí)通過(guò)不同層間

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

6、接時(shí)，最后蓋面焊道層相對(duì)于其它焊道層而言對(duì)整個(gè)接頭的殘余應(yīng)力的最終分布影響最大，而且最后一道焊道對(duì)整個(gè)焊接接頭殘余應(yīng)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(xué)”耦合有限元計(jì)算方法，分別模擬計(jì)算了P92鋼3層5道及6層11道中、厚板焊接接頭的殘余應(yīng)力，所得結(jié)果對(duì)工程實(shí)際中 P92鋼焊接構(gòu)件的接頭評(píng)價(jià)及壽命評(píng)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(xué)”耦合有限元