奧氏體不銹鋼焊接接頭殘余應力的數(shù)值模擬研究.pdf

1、奧氏體不銹鋼是一種重要的工程材料，近年來被廣泛地應用到核電裝備和工程機械設備等領域中。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，不可避免會產(chǎn)生焊接殘余應力和變形。一般情況下，焊接殘余應力場取決于幾個主要因素：材料性質、結構尺寸、外部約束條件以及焊接熱過程。研究表明，焊接殘余應力和變形對焊接結構的靜載強度、疲勞強度、結構穩(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，焊接殘余拉伸應力是導致合

2、金焊接結構件產(chǎn)生應力腐蝕裂紋的重要原因。因此，如何準確預測和評估焊接結構中的殘余應力已經(jīng)成為備受關注的研究課題。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，產(chǎn)生加工硬化的金屬在被加熱到高溫過程中會因回復、再結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，所以為了準確預測奧氏體不銹鋼焊接接頭的殘余應力，需要在材料模型（本構關系）中仔細考慮

3、加工硬化和退火軟化效應。
　　本文以ABAQUS軟件為平臺，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-塑性有限元計算方法。利用所開發(fā)的計算方法，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力計算結果的影響，并通過試驗方法驗證了數(shù)值模擬結果的準確性。此外，在此基礎上對奧氏體不銹鋼SUS304厚板補焊和奧氏體不銹鋼異種鋼圓管焊接殘余應力進行了數(shù)值模擬預測。研究結果表明：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算得到的焊接殘余應力高于實測值，因此數(shù)值模型中需要考慮退火軟化效應。隨著退火溫度的升高，縱向殘余應力的峰值增大，同時高應力區(qū)也隨之擴大。在本研究中，退火溫度對橫向殘余應力的影響很小。將退火溫度設定為1000oC時，計算得到的縱向殘余應力與實測值比較接近。⑵不考慮加工硬化模型計算得到的殘余應力值明顯小于實驗值，因此，在計算奧氏體不銹鋼焊接殘余應力時，有必要考慮材料的加工硬化。此外，各向

5、同性硬化模型會高估焊件的殘余應力，移動硬化模型會低估焊件的殘余應力，而混合硬化模型相對其它兩種硬化模型能夠較好地預測焊件的焊接殘余應力。⑶補焊過程會對原有應力場進行重新分布。對于縱向殘余應力，其殘余應力值都會增大；而對于橫向殘余應力，拉應力值會增大，壓應力峰值會有所減小。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力很大，徑向應力分布較平緩，且峰值應力較小。對于環(huán)焊縫而言，焊接起始和終止部位的焊接殘余應力分布與