毕业论文范文——固态相变对P92钢多层多道对接接头残余应力影响的研究

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1、西安航空职业学院毕业论文固态相变对P92钢多层多道对接接头残余应力影响的研究姓名：专业： 航空电子班级：完成日期：指导教师:摘要：基于SYSWELD软件开发了考虑材料固态相变的“热-冶金-力学”耦合的有限元计算方法，并采用该方法模拟了P92钢多层多道对接接头的温度场及残余应力分布。计算模型中考虑了固态相变引起的体积变化、屈服强度变化和相变塑性对焊接残余应力形成过程的影响。同时，采用盲孔法测量了P92钢6层8道平板对接接头的残余应力分布。计算结果与实验结果吻合较好，实验结果验证了计算方法的有效性和妥当性。数值模拟结果表明，P92钢多层多道对接接头焊缝及其热影响区内的纵向残

2、余应力为压应力，横向残余应力为拉应力且拉应力峰值位于热影响区；在邻近热影响区外侧位置形成了较高的纵向拉应力和横向压应力。从数值模拟结果可知，对于P92钢多层多道对接接头而言，最后一层的盖面焊对整个焊接最终残余应力分布的影响最显著。关键词：固态相变；多层多道焊；残余应力；数值模拟1.前言为了改善温室气体排放导致的环境问题，电力行业大力发展高能效、低排放的超（超）临界火电机组[1]。P92钢作为一种典型的9%~12%Cr耐热钢，具有良好的高温抗蠕变性，较低的线膨胀系数和优异的抗腐蚀能力，广泛应用于超（超）临界火电机组的蒸汽管道、锅炉缸体等高温部件[2~5]。机组的运行温度和

3、压力越高，能量效率越高，CO2气体排放量越低，与此同时机组零部件所承受的载荷越大[6]。由于超（超）临界火电机组零部件的壁厚普遍较大，因此实际生产过程中多数采用多层多道焊的连接方式，而焊接接头一般被认为是焊接构件中的薄弱环节[7]。焊接过程中金属的熔化与急冷会降低焊缝材料的力学性能[8,9]，并且形成焊接残余应力，危害到接头的强度和疲劳性能。由于9%~12%Cr耐热钢的冶金特性，在焊接过程中会发生固态相变（SSPT），引起体积变化、屈服强度变化和相变塑性[10]，对焊接残余应力的形成和分布产生显著影响。多层多道焊过程中，材料经历多次热循环，应力的形成和再分布过程极为复杂

4、，因此，研究P92钢多层多道焊残余应力的形成过程与分布特征，对于实际生产过程中焊接接头残余应力的预测和焊接工艺的制定具有重要的意义。随着计算机技术的发展和计算焊接力学的日臻完善，有限元数值模拟技术已经成为了预测焊接残余应力的有效工具。Yaghi等[11~13]基于Abaqus软件，模拟了考虑固态相变的P91、P92圆管多层多道焊残余应力的分布，并采用深孔（DHD）法和中子衍射（ND）法验证了模拟结果的有效性和模拟计算方法的可行性。Deng等[14,15]的研究表明，固态相变引起的体积变化和屈服强度变化对P91钢管和平板焊接残余应力的分布具有显著影响，甚至可以改变应力的符

5、号；而相变塑性对低相变温度钢的焊接残余应力形成有“松弛”效应。Heinze等[16]、Kumar等[17]通过数值模拟和实验相结合的方法研究了P91板材焊接残余应力的分布趋势。虽然固态相变引起的体积膨胀、屈服强度变化和相变塑性对P92钢焊接残余应力的影响已有报道，本课题组前期研究也解释了多重热循环作用下焊接残余应力的演化机理。然而，关于固态相变对P92钢多层多道焊中应力的演化过程的研究还鲜有报道。本研究采用基于SYSWELD软件开发的考虑固态相变的“热-冶金-力学”耦合有限元计算方法，研究了P92钢多层多道平板对接接头中残余应力的形成过程。采用盲孔法测量了平板6层8道对

6、接接头的焊接残余应力，并将模拟结果与实验结果进行对比，验证了计算方法的有效性。2.实验方法实验所用的材料为ASTMA335P92钢，其主要化学成为（质量分数，%）：C0.124,Cr9.32,Mo0.49,Si0.157,Mn0.42,Ni0.24,V0.20,W1.75,B0.0013,Nb0.055,Fe余量。本实验设计了平板6层8道填充焊的焊接方案，用于研究固态相变对P92钢多层多道焊残余应力的影响。试件、坡口尺寸及焊道布置如图1所示。第1条焊道为打底焊道，因此采用钨极惰性气体保护焊(GTAW)方法施焊,其余焊道采用手工电弧焊(SMAW)施焊。焊接电流为80A~1

7、40A，焊接电压为12V，焊接速度为60mm/min~70mm/min，预热温度为150°C，层间温度控制在150°C~200°C之间。图1试件、坡口尺寸及焊道布置示意图（单位：mm）图2焊接残余应力测量位置焊接完成后，采用盲孔（HD）法测量试板上、下表面的焊接残余应力，测量位置分别如图2a、2b所示。盲孔法测量残余应力的测量过程在之前的研究[10]中已有详细介绍。本实验根据GB/T31310-2014标准对采集到的应变释放量、和进行处理，计算残余应力和的值。算法如下：(1)(2)式中，、为标定系数，在钻孔半径为0.75mm，孔心片心距为