9Cr-1Mo钢焊接残余应力的数值模拟与实验验证

摘要

9Cr-1Mo钢是典型的新型马氏体耐热钢，与传统的低合金高强钢相比，9Cr-1Mo钢具有较低的线膨胀系数和优越的高温抗蠕变性能，因此被广泛应用于制造超临界、超超临界火电机组的高温、高压蒸汽管道。焊接残余应力是高温承压组件的结构完整性和安全使用寿命评价的重要指标之一。由于9Cr-1Mo钢焊接接头的焊缝和热影响区容易发生固态相变，固态相变所导致的体积膨胀会对焊缝和热影响区的应力有重要影响；另一方面，在厚大结构件的多层多道焊接过程中，固态相变对焊接应力的影响更加明显。然而，单纯地依赖于实验测量的方法很难准确地预测和研究整个焊接结构的残余应力分布，而数值模拟技术可能成为了解决该问题的最有效方法。开发高精度的材料模型和高效率的计算方法来研究焊接应力形成过程以及最终残余应力分布是焊接数值模拟技术研究的重要课题。
　　本研究以P91/P92钢为研究对象，基于SYSWELD软件建立了考虑固态相变行为的材料模型，采用移动热源模型模拟GTAW/GMAW电弧热输入，并采用3D网格单元模型，对6mm厚P92钢平板重熔单层多道焊模型、10mm厚P92钢平板对接多层单道焊模型、20mm厚 P92钢平板对接多层多道焊模型以及21.4mm壁厚P91钢圆管对接多层多道焊模型的进行数值模拟，获得模型表面和内部各节点的焊接残余应力的分布。同时，采用盲孔法和应力释放法实测了各个焊接试件表面的残余应力，而且观察了接头的宏观形貌并测量了接头的显微硬度。焊接温度场和组织分布计算结果与宏观形貌和显微硬度分布比较吻合，同时表面焊接残余应力的数值模拟结果与实验测量结果也比较吻合，实验测量结果验证了数值模拟方法的可靠性。结果表明：①6mm厚重熔单层多道焊平板在纵向上形成拉-压相间的残余应力分布，固态相变导致焊缝和热影响区中形成压应力而焊道外侧靠近热影响区的母材形成接近母材屈服强度的拉应力，后续焊接使得先焊焊缝中形成接近新相马氏体屈服强度的拉应力。焊接应力的形成过程表明，各节点的最终应力状态与焊接峰值温度和再热峰值温度关系很大。②10mm厚对接多层单道焊平板靠近上表面的焊缝和热影响区在纵向上形成残余压应力，而靠近下表面的区域则形成接近新相马氏体屈服强度的拉应力区；在横向上平板上表面和靠近下表面都形成拉应力区，但应力峰值较小。修复焊接导致平板底部的纵向拉应力区域增大，而且横向残余应力的峰值也达到了新相马氏体的屈服强度。③20mm厚对接多层多道焊平板上表面在纵向上同样形成拉-压相间的残余应力分布，在下表面形成较宽的拉应力区，平板内部的拉应力较低；在横向上，上表面及附近区域形成较低的拉应力而下表面则形成较宽的拉应力区，而平板内部则形成了很大的压应力区。④21.4mm壁厚P91钢圆管多层多道焊对接试件外表面在周向上形成拉-压相间的应力分布，在圆管内部形成高拉应力而内表面则形成较低的拉应力，从轴向上看圆管内外表面附近区域都形成压应力，而圆管内部则形成拉应力。

目录

1 绪 论

1.1 选题背景及意义

1.2 焊接残余应力研究方法综述

1.3 9Cr-1Mo钢焊接残余应力研究进展

1.4 研究内容、方法及创新点

1.5 本章小结

2 单层多道焊接残余应力形成过程研究

2.1 研究内容

2.2 试验方法

2.3 有限元分析

2.4 结果与分析

2.5 本章小结

3 平板多层多道焊接残余应力形成过程研究

3.1 研究内容

3.2 试验方法

3.3 有限元分析

3.4 结果分析与讨论

3.5 本章小结

4 平板修复焊接残余应力的形成过程研究

4.1 研究内容

4.2 试验方法

4.3 有限元分析

4.4 结果分析与讨论

4.5 本章小结

5 圆管对接多层多道焊残余应力的形成过程

5.1 研究内容

5.2 试验方法

5.3 有限元分析

5.4 结果分析与讨论

5.5 本章小结

6 结 论

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录：

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录：