固态相变对P92钢多层多道焊接残余应力影响的研究

摘要

电力工业是经济社会发展的基础，我国及世界范围内在相当长的时期内仍将以火电发电为主。在环境问题日益严重，电力需求日益增长的双重压力下，使用热效率更高的超临界或超超临界发电机组是解决这一矛盾的有效方法之一。P92钢因具备优良的高温力学性能，在超（超）临界发电机组中得到了越来越多的应用。焊接作为一种金属连接方法，广泛应用于制造火力电站装备中的承受高温压力容器与管道。电站设备中的 P92钢结构几乎都需要采用焊接工艺才能进行装配或制造。由于 P92钢的合金成分特点，在焊接过程中，即使在空冷的条件下，焊缝及热影响区也几乎全为马氏体，因此，焊接时有一定冷裂纹敏感性。在服役中的P92钢焊接接头的主要失效形式是热影响区附近的IV型裂纹，虽然IV裂纹的机制目前尚不十分清楚，但不少学者认为焊接残余应力对P92钢焊接接头IV型裂纹的诱发可能有较大的影响。另一方面，在采用焊接方法修复 P92钢构件时，一般难以进行焊后热处理，故焊接残余应力也难以得到减缓和改善，因此，在这类接头中焊接残余应力是个十分值得关注的问题。基于以上两点，P92钢焊接接头的残余应力成为了目前的研究热点之一。
　　本文在焊接专用软件SYSWELD的基础上，开发了考虑固态相变的“热-冶金-力学”耦合有限元计算方法，来模拟P92钢焊接过程中的温度场、组织场和残余应力。制备接头金相，观察了焊接接头的组织分布并测量了硬度，验证了组织场计算的准确性。采用小孔法测量了焊接接头的残余应力，同时也引用了现有文献中采用中子法测得的应力值来与计算结果进行比较。通过实验值与模拟值的对比，验证了本文所开发有限元计算方法的有效性和妥当性。单道焊接计算中，通过精心设计计算模型，基于计算结果详细考察了固态相变产生的体积膨胀效应、屈服强度变化和相变塑形对P92钢焊接残余应力的影响。通过对P92钢两道TIG重熔焊接过程的模拟分析，澄清了P92钢在多重热循环焊接过程中的“温度-组织-应力”演化过程，阐明了固态相变对焊接残余应力的影响机制。通过对 P92钢四道重熔焊接的数值计算，得到了多层焊接应力分布，同时通过不同层间温度的设置，考察了层间温度对 P92钢焊接残余应力的影响。预测了P92钢中、厚板对接接头的焊接残余应力分布。
　　研究结果表明：焊缝及HAZ马氏体相变引起的体积膨胀对P92钢焊接残余应力有十分显著的影响，不仅可以改变纵向应力值的大小，甚至可以改变其应力的符号；屈服强度的变化对焊接残余应力有较大的影响；相变塑形对焊接残余应力有一定的“松弛”效应。多层多道焊接过程中，后焊焊道对先焊焊道的残余应力分布有显著的影响。整体而言，在多层多道焊接时，最后盖面焊道层相对于其它焊道层而言对整个接头的残余应力的最终分布影响最大，而且最后一道焊道对整个焊接接头残余应力最终分布的影响在所有焊道中也是最大的。
　　本文采用所开发考虑固态相变的“热-冶金-力学”耦合有限元计算方法，分别模拟计算了P92钢3层5道及6层11道中、厚板焊接接头的残余应力，所得结果对工程实际中 P92钢焊接构件的接头评价及寿命评估有一定的参考意义。此外，本文所开发的考虑固态相变的“热-冶金-力学”耦合有限元计算方法对焊接过程中发生固态相变的其它材料，如碳当量较高的结构钢和低温相变钢等的焊接残余应力的数值模拟也有较大的参考和借鉴意义。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 选题背景及意义

1.2 P92钢应用现状及焊接问题

1.3 固态相变对焊接残余应力的影响

1.4 Cr-Mo耐热钢焊接残余应力的研究现状

1.5 本文主要研究内容

1.6 本章小结

2 固态相变对P92钢焊接残余应力的影响

2.1 P92钢单道焊接模拟

2.2 P92钢单道焊接实验

2.3 P91钢激光对接焊接数值模拟及实验对比

2.4本章小结

3 P9 2钢多重热循环温度-组织-应力关系研究

3.1 有限元模型及网格划分

3.2 热源模型及参数

3.3 温度场计算

3.4 组织场计算

3.5 应力场计算

3.6 典型节点温度-应力耦合分析

3.7 本章小结

4 P9 2钢四道焊接残余应力及层间温度影响的研究

4.1 P92钢四道重熔焊接应力计算

4.2 P92钢四道焊接实验

4.3 层间温度对P92钢焊接残余的影响

4.4 本章小结

5 P9 2钢多层多道焊数值模拟

5.1 P92钢3层5道焊接头残余应力的数值模拟

5.2 P92钢6层11道焊接头残余应力的数值模拟

5.3 本章小结

6 结 论

致谢

参考文献

附录A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文