P92/SUS304异种钢焊接接头残余应力的研究

摘要

铁素体/奥氏体异种钢焊接接头在火电机组中是不可避免的一种接头形式。由于材料化学成分、冶金组织及力学性能不均匀，异种钢焊接接头在服役过程中常会发生早期失效，成为制约锅炉服役寿命的关键因素。造成异种钢焊接接头早期失效的主要原因是焊接过程中的碳扩散以及由于线膨胀系数不一致所导致的热应力。铁素体/奥氏体异种钢焊接接头的早期失效主要是由蠕变裂纹引起的。焊接残余应力可能是引起蠕变裂纹的重要因素，而采用合适的填充材料可以明显提高焊接接头服役寿命。铁素体/奥氏体异种钢焊接接头常采用奥氏体不锈钢焊接材料或镍基合金作为填充金属。当采用奥氏体不锈钢填充材料的铁素体/奥氏体异种钢焊接接头在临界温度服役时，由于铁素体钢具有较低的线膨胀系数，铁素体钢管会限制奥氏体焊缝的膨胀，在材料界面处形成较大的应力梯度，导致焊接接头的早期失效。采用线膨胀系数较低的镍基合金填充材料可以明显提高焊接接头的服役寿命。　　本研究在Sysweld焊接专用有限元软件的基础上，考虑固态相变、加工硬化及退火软化的材料模型进行热-冶金-力学有限元计算，对P92/SUS304异种钢平板对接接头和圆管对接接头的温度场、组织场和应力场进行了数值模拟和实验验证。通过对比模拟结果和测量结果，验证了所建立的考虑固态相变、加工硬化及退火软化的热-冶金-力学有限元计算模型的有效性。然后，根据实验测量结果和模拟结果对P92/SUS304异种钢接头的残余应力分布进行分析，从应力角度分析可能引起此类异种钢焊接接头早期失效的原因。本课题还研究了坡口类型、焊接层数和填充材料对P92/SUS304异种钢平板对接接头残余应力分布的影响，希望能通过改变焊接条件控制焊接残余应力，降低发生早期失效的风险。进一步的，采用所建立的有限元计算模型，本课题对核电典型铁素体钢/奥氏体钢异种钢接头SFVQ1A/SUSF316异种钢管焊接残余应力进行了数值模拟和实验验证，分析了熔覆、堆焊、热处理和焊接等多种加工工艺对焊接残余应力的影响。结果表明：对于 P92/SUS304异种钢平板对接接头，其纵向残余应力分布比较复杂，在P92钢一侧，在温度达到Ac3以上的区域内，由于固态相变体积膨胀的影响形成压应力，在完全相变区外围区域内形成较大的拉应力。在Alloy82镍基合金焊缝和SUS304不锈钢热影响区内，纵向残余应力基本为拉应力。在材料界面处，由于线膨胀系数差异导致的拘束作用形成应力梯度。由于加工硬化因素，SUS304不锈钢一侧拉应力峰值大于其常温屈服强度。对于P92/SUS304异种钢圆管对接接头，其周向残余应力分布与P92/SUS304异种钢平板对接接头纵向残余应力分布规律一致，但应力水平整体下降。在焊缝起始/终止位置，轴向残余应力的分布比较复杂。通过对SFVQ1A/SUSF316异种钢管焊接接头残余应力的研究，发现在热处理过程中，先前由于熔覆和堆焊形成的应力基本被消除，随后冷却时形成新的应力分布。说明对SFVQ1A/SUSF316异种钢管焊接接头进行熔覆、堆焊、热处理和焊接全过程数值模拟时，需要重点考虑热处理过程对应力变化的影响。数值模拟结果与实验测量结果吻合良好，说明所建立的考虑固态相变、加工硬化和退火软化的焊接有限元方法在对熔覆、堆焊、热处理和焊接多种工艺进行数值模拟时，得到的计算结果具有较高的精度。

目录

1 绪 论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 P92/SUS304异种钢接头应用现状及焊接问题

1.3 焊接残余应力的测量及理论预测

1.4 P92/SUS304异种钢焊接接头残余应力的研究现状

1.5 本文主要研究内容

2 P92/SUS304异种钢平板对接接头残余应力

2.1 引言

2.2 P92/SUS304异种钢平板对接模拟

2.3 P92/SUS304异种钢平板对接接头残余应力实验测量

2.4 结果分析

3 坡口形式对P92/SUS304异种钢平板对接接头残余应力的影响

3.1 引言

3.2 有限元模型

3.3 数值模拟结果

3.4 残余应力测量结果

4 焊接参数对P92/SUS304异种钢平板对接接头残余应力的影响

4.1 引言

4.2 焊接层数对 P92/SUS304 异种钢平板对接接头残余应力的影响

4.3 填充材料对 P92/SUS304 异种钢平板对接接头残余应力的影响

5 P92/SUS304异种钢圆管对接接头残余应力

5.1 引言

5.2 有限元模型

5.3 2-D轴对称模型数值模拟结果

5.4 3-D模型数值模拟结果

6 核电管道异种钢对接接头残余应力

6.1 引言

6.2 实验步骤

6.3 焊接有限元计算

6.4 核电异种钢管焊接残余应力分析

7 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：