核电站用珠光体奥氏体钢异种接头焊接残余应力分析

1、课题研究背景及意义

核电是一种国际公认的清洁能源之一，近期我国核电技术发展迅猛。核电承压设施中，存在珠光体钢和奥氏体钢的异种接头，由于材料、组织的不同，这些异种接头往往是失效的根源。本课题以SA508与SS316的异种钢接头为研究对象，开展不含过渡层和含过渡层结构的接残余应力模拟，研究过渡材料、厚度等对焊接残余应力的影响，寻求合理的过渡层。SA508是指美国标准：ASME SA508 压力容器用淬火和回火真空处理碳素钢和合金钢锻件，SS316（美国钢材牌号）是含钼不锈钢种,具有良好的抗氯化物侵蚀的性能,耐腐蚀性能优于SS304不锈钢,具有良好的耐腐蚀的性能,而且耐海洋和侵蚀性工业大气的侵蚀。

异种钢的焊接是一门新的学科技术，它除了要研究焊接的一般规律以外，还要研究许多新的规律，如异种钢的物理、化学性能和组织结构的变化、金属间化合物的形成机理，冶金扩散过程，接头性能的检测等等，涉及面很广。异种钢的实验研究和生产应用日益受到广大焊接科技工作者的重视。异种金属焊接复合构件的特点是：能够最大限度地利用材料的各自优点，收到”物尽其用”的效果。可使其不同部位处于不同的温度、压力、载荷、介质等工作条件。复合构件不仅能满足使用性能的要求，而且在经济上也相当合理。显然，把异种金属零件连接成一个整体部件，焊接常常是最好的方法，所以异种合金焊接技术就成了关键。

本课题的研究，是为了了解焊接接头残余应力的产生原因，分析影响焊接残余应力的因素，并且通过了解异种接头的特性和分析异种接头的失效机理来掌握结构-热顺序耦合技术开展焊接残余应力模拟的方法。

2、焊接残数值模拟研究现状及发展趋势

2.1 焊接残余应力数值模拟研究现状及发展趋势

焊接过程是局部加热随后又快速冷却，因此不可避免的在焊接接头中产生残余应力。残余拉应力会严重影响焊接结构的使用性能，可能引起结构的脆性断裂，拉伸残余应力会降低疲劳强度和腐蚀抗力，在评定表面裂纹扩张危险程度时，焊接残余应力比外加载荷贡献更大。压缩残余应力会减小稳定性极限，焊接残余应力是焊件产生变形和开裂等工艺的主要原因。焊接应力应变数值分析的研究所采用的数值模拟研究方法有:热弹塑性有限元分析法、固有应变法、热粘塑性分析法、考虑相变与热应力耦合效应等。在过去的几十年中，国内外学者对残余数值模拟技术进行了大量的研究，取得了丰硕的成果。国际上有关焊接残余应力数值模拟计算的交流也十分活跃，国际焊接学会(IIW)于1996 年成立了专门”从事焊接结构残余应力和变形预测研究”的工作小组。

20 世纪 70 年代初，日本大阪大学的上田幸雄等首先以有限元为基础，提出热弹塑性分析理论，即材料力学性能与温度有关，推导出焊接应力与应变之间关系的表达式，进一步深入了解焊接应力与变形这一复杂过程。Vaidyanathan利用板壳理论，以平板对接焊的残余应力为基础，推导出薄壁管对接焊环焊缝二维残余应力计算公式。Rybicki等人将厚壁管道对接环焊时的焊接应力模型进行了适当的简化，将三维焊接应力问题简化为轴对称，建立了轴对称的热#8212;弹塑性有限元模型。随着对热#8212;弹塑性理论深入研究和认识，德国学者 Argyris 首先提出用热弹#8212;粘塑性组成的方程来分析焊接应. A.Yaghi 和 Chin-Hyung Lee 等通过有限元方法建立了不同管壁厚的计算模型，分析了相同壁厚下不同内径对残余应力大小和分布的影响。Dean Deng 等利用 ABAQUS 软件建立了 3D、2D 热应力耦合模型，分析了 SUS304 不锈钢管焊接过程中温度场和应力场的变化，并通过试验进行了验证，发现 2D 对称模型可以准确地计算出应力的分布，比 3D 模型节省了大量计算时间，此外，对起焊点区域应力进行了分析，并且建立了考虑固态相变的 9Cr-1Mo 钢管计算模型。随着焊接技术的发展，国外很多学者对新型焊接技术残余应力进行了研究。

2.2焊接残余应力产生的原因