20MnNiMo钢焊接应力计算与实验验证

摘要

20MnNiMo钢是我国参照美国SA-508Gr.3钢为基础而研发出来的一种新型的高强度容器用钢，因为其优越的性能逐渐为人们所采纳，目前主要用于核电容器等特种设备。作为一种新型的非常具有潜力的钢材，目前这种钢的性能研究还相当有限，特别是特厚、超厚板材焊接的研究还非常少见。本研究着眼于今后高参数、大容量电站设备中的高压加热器焊接生产过程中焊接应力的计算，提出采用20MnNiMo钢代替过去传统的材料，着力研究100mm以上的20MnNiMo钢的焊接应力计算的研究。本次实验选用国内某厂生产的20MnNiMo钢作为研究对象，首先采用Gleeble1500D热模拟机对该种钢材的在800℃～1300℃高温力学性能进行研究，重点对20MnNiMo钢的第Ⅰ脆性温度区和第Ⅲ脆性温度区等问题进行了深入研究，同时绘制20MnNiMo钢的SH-CCT曲线，为焊接过程中组织转变问题的分析提供有力的技术支持。然后对20MnNiMo钢焊缝及热影响区的组织和力学性能进行数值模拟研究，采用有限元软件ANSYS对焊接过程的温度场和应力场进行模拟，对在不同的焊接热输入及热处理状态下的焊接温度场及应力场进行对比分析，对20MnNiMo钢焊接热源所形成的温度场的过程进行了全过程的模拟。实验显示在加热开始一段时间内，温度很不稳定，随着工件迅速升温并进入准稳定状态时，工件的焊接方向等温线云图呈现为在长轴上的近似半个椭圆形。
　　本次实验同时模拟出了不同热输入造成的焊接变形，从实验的结果来看20MnNiMo钢在大的焊接热输入下的变形要大于小的焊接热输入下的变形，两个模型的变形相差7%。最后通过焊接实物的方法对模拟的结果进行检验，通过对20MnNiMo钢焊接过程中温度场及应力场的实时监控，测定出不同热输入及不同工艺下的焊接接头的温度场和应力场。并对这些焊接接头进行采样分析，分别进行金相、弯曲试验、冲击试验和拉伸等试验，结果显示20MnNiMo钢模拟实验和实验验证结果都能很好地匹配，焊接应力计算模拟能很好地反映焊接过程中20MnNiMo钢应力场的变化过程。同时我们还发现20MnNiMo随着焊接热输入的增大，试样的平均抗拉强度先减小再增大；这种钢焊后在550—600℃退火时，同样随着热处理温度的提高，平均抗拉强度先减小再增大，在570℃时抗拉强度达到最低值。

目录

1 引言

1.1火力发电厂回热系统及高压加热器简介

1.2 本课题研究的目的

2 试验材料及研究方法

2.1 20MnNiMo钢概况

2.2 20MnNiMo钢的焊接性分析

2.3 20MnNiMo钢的SH-CCT曲线测定及高温力学性能测定方法

3 20MnNiMo钢高温性能的测定实验

3.1 20MnNiMo钢高温拉伸实验

3.2 20MnNiMo钢焊接热影响区组织性能的研究

3.3 小结

4 20MnNiMo钢焊接温度场模拟

4.1材料焊接工艺与模型建立

4.2 焊接温度场的建模

4.3小结

5 20MnNiMo钢焊接的应力场模拟

5.1 焊接过程应力场分布

5.2 20MnNiMo钢焊接应力-路径对比分析

5.3 小结

6 20MnNiMo钢焊接试验验证

6.1 20MnNiMo钢环焊接试验与温度场模拟

6.2 试板残余应力试验与模拟计算

6.3 小结

7 20MnNiMo钢焊接接头力学性能及金相组织分析

7.1 焊接接头力学性能

7.2 小结

结论

参考文献

致谢