奧氏體不銹鋼焊接接頭殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬研究.pdf

1、奧氏體不銹鋼是一種重要的工程材料，近年來被廣泛地應(yīng)用到核電裝備和工程機(jī)械設(shè)備等領(lǐng)域中。焊接是一種用于奧氏體不銹鋼的重要加工工藝。焊接過程中，在不均勻溫度場的作用下，不可避免會(huì)產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和變形。一般情況下，焊接殘余應(yīng)力場取決于幾個(gè)主要因素：材料性質(zhì)、結(jié)構(gòu)尺寸、外部約束條件以及焊接熱過程。研究表明，焊接殘余應(yīng)力和變形對焊接結(jié)構(gòu)的靜載強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及冷加工過程中的制造精度等都有非常不利的影響。此外，焊接殘余拉伸應(yīng)力是導(dǎo)致合

2、金焊接結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的重要原因。因此，如何準(zhǔn)確預(yù)測和評(píng)估焊接結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力已經(jīng)成為備受關(guān)注的研究課題。奧氏體不銹鋼非常容易加工硬化，在焊接過程中，焊縫及其附近的金屬經(jīng)歷了多次熱循環(huán)，使得這部分金屬產(chǎn)生了一定程度的塑性變形而被加工硬化，同時(shí)，產(chǎn)生加工硬化的金屬在被加熱到高溫過程中會(huì)因回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大等而使在較低溫度下產(chǎn)生的加工硬化得到消除，所以為了準(zhǔn)確預(yù)測奧氏體不銹鋼焊接接頭的殘余應(yīng)力，需要在材料模型（本構(gòu)關(guān)系）中仔細(xì)考慮

3、加工硬化和退火軟化效應(yīng)。
　　本文以ABAQUS軟件為平臺(tái)，開發(fā)了用于模擬奧氏體不銹鋼多層多道焊接過程的熱-彈-塑性有限元計(jì)算方法。利用所開發(fā)的計(jì)算方法，研究了加工硬化和退火軟化對奧氏體不銹鋼SUS304焊接接頭的焊接殘余應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的影響，并通過試驗(yàn)方法驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外，在此基礎(chǔ)上對奧氏體不銹鋼SUS304厚板補(bǔ)焊和奧氏體不銹鋼異種鋼圓管焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行了數(shù)值模擬預(yù)測。研究結(jié)果表明：⑴對于奧氏體不銹鋼 SUS30

4、4焊接接頭，在只考慮加工硬化但不考慮退火軟化的情況下計(jì)算得到的焊接殘余應(yīng)力高于實(shí)測值，因此數(shù)值模型中需要考慮退火軟化效應(yīng)。隨著退火溫度的升高，縱向殘余應(yīng)力的峰值增大，同時(shí)高應(yīng)力區(qū)也隨之?dāng)U大。在本研究中，退火溫度對橫向殘余應(yīng)力的影響很小。將退火溫度設(shè)定為1000oC時(shí)，計(jì)算得到的縱向殘余應(yīng)力與實(shí)測值比較接近。⑵不考慮加工硬化模型計(jì)算得到的殘余應(yīng)力值明顯小于實(shí)驗(yàn)值，因此，在計(jì)算奧氏體不銹鋼焊接殘余應(yīng)力時(shí)，有必要考慮材料的加工硬化。此外，各向

5、同性硬化模型會(huì)高估焊件的殘余應(yīng)力，移動(dòng)硬化模型會(huì)低估焊件的殘余應(yīng)力，而混合硬化模型相對其它兩種硬化模型能夠較好地預(yù)測焊件的焊接殘余應(yīng)力。⑶補(bǔ)焊過程會(huì)對原有應(yīng)力場進(jìn)行重新分布。對于縱向殘余應(yīng)力，其殘余應(yīng)力值都會(huì)增大；而對于橫向殘余應(yīng)力，拉應(yīng)力值會(huì)增大，壓應(yīng)力峰值會(huì)有所減小。⑷對于奧氏體不銹鋼異材管接頭，焊縫金屬及其附近的位置的軸向和周向殘余應(yīng)力很大，徑向應(yīng)力分布較平緩，且峰值應(yīng)力較小。對于環(huán)焊縫而言，焊接起始和終止部位的焊接殘余應(yīng)力分布與