异质填充材料耐热不锈钢多层多道补焊残余应力数值分析(附件)【字数：15473】
repair welding of P91 heat resistant steel with different filler materialrepair welding of P91 heat resistant steel with different filler materialP91钢属于中合金耐热钢，具有较高的耐疲劳强度、良好的加工性和导热性、韧性高、热膨胀系数低等优点。但是P91钢有一定的焊接冷裂纹倾向，对再热裂纹不敏感，且线膨胀系数大，热导率小，在焊接过程中温度不断发生变化，故接头会产生较大残余应力，从而可能产生热疲劳裂纹。在长期服役的过程中会产生裂纹，导致耐热钢管的开裂。补焊作为一种用于修补零件缺陷的焊接技术，因为其拥有修复质量高、生产成本低、能修复各种零件等优点，而受到广泛应用。但因为在补焊过程中加热不均匀，以及被焊部位受到约束力，因而在补焊过程中会产生较大的焊接残余应力。本文课题就是对P91钢补焊及残余应力的分析。采用镍基材料ENiCrFe-3补焊60mm厚的P91钢板，通过有限元分析软件ANSYS，建立P91 耐热钢管多层多道补焊的有限元模型，模拟P91 钢补焊的焊接温度场和焊接应力场。计算了P91钢补焊的残余应力，并分析残余应力的分布特征和不同的焊层对残余应力的影响规律。结果表明模拟结果和试验结果吻合较好，证明了模型的准确性。施焊后在焊缝及其附近区域表现出较大的纵向拉应力，应力峰值为482MPa，随着距焊缝中心距离增大，拉应力迅速降为压应力；横向拉应力较大值位于焊缝上表面两侧，峰值为333MPa；最高等效应力区位于上表面焊缝区域周围，峰值为470MPa，小于母材室温时屈服强度；在坡口轮廓区域，纵向残余应力随着补焊厚度的增加，呈先减小后增大趋势，且较大值位于焊缝的根部，峰值为424MPa。关键词P91钢；补焊；数值分析；残余应力
目录
第1章 绪论 1
1.1 选题意义 1
1.2 P91钢特点及焊接性 2
1.2.1 P91钢的特点 2
1.2.2 P91钢的焊接性 3
1.3耐热不锈钢焊接工艺研究现状 4
1.3.2 不锈钢的补焊残余应力的研究 5
1.4主要的工作内容的介绍 7
第2章 试验设备及方 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
法 8
2.1 焊接试验 8
2.1.1焊接试验方案 8
2.1.2焊接试验材料及设备 8
2.1.3焊接试验方法 8
2.1.4 主要工艺参数 10
2.2焊接残余应力检测 11
2.2.1 盲孔法测残余应力原理 11
2.2.2盲孔法测残余应力步骤 13
2.3 本章小结 15
第3章 补焊残余应力结果分析 16
3.1 热源模型的选用 16
3.2 几何模型的建立 16
3.3 材料参数 17
3.4 网络的划分 17
3.5异质填充材料补焊残余应力分析 18
3.5.1焊接残余应力的分布云图 18
3.5.2残余应力分布曲线 24
3.6本章小结 30
结论 31
参考文献 32
致谢 35
第1章 绪论
1.1 选题意义
随着“中国制造2025”工业发展战略的提出，我国在对材料的连接技术、材料的综合力学性能等方面提出了更高的要求。以发电厂为例，超临界、超高临界发电机组的快速发展对于金属材料的高温许用应力、材料的高温疲劳强度、材料抗高温蠕变断裂的能力、耐高温腐蚀和耐蒸汽氧化腐蚀能力以及材料高温焊接性的要求越来越高[2]。P91耐热钢具有蠕变强度高、抗高温氧化腐蚀能力强、优异的导热性、机械加工性、热膨胀系数低等优点，从而成为制造高温管线钢的首选材料，现在已经成熟的应用于发电厂高温蒸汽管道、集热箱、再热器等在高温环境中服役的工程结构。
虽然P91钢越来越优先作为高温部件首选材料在发电、石油化工等行业中使用，可其可焊性仍然存在一定问题。焊接过程中受高温热作用合金元素的烧损，在焊缝熔合区附近δ铁素体形成和连接接头的机械强度的降低恶化了P91钢的电弧焊接性等常见问题尤为明显。在高温高压和腐蚀介质中，P91钢管的焊接接头承受着较大的拘束应力和振动载荷，这会使焊接接头出现焊接韧性低、焊接冷裂纹敏感、焊接热影响区软化、时效倾向以及在热影响区的IV型裂纹等问题[2,3]。
由于焊接接头在服役和加工过程中受自然条件和工艺设备相关不可控因素的影响，结构件在焊接制造过程中不可避免的会产生一些缺陷。而且，这些结构件往往是在高温高压的环境中服役，在原有制造过程中缺陷存在的同时往往会诱发一些新的缺陷，从而致使工程结构件返修率增高。局部补焊修复时，受不平衡热循环的影响焊后残余应力对焊接结构件稳定性的影响更加突出，焊接残余应力是诱发裂纹的重要因素[1]，在很大程度上决定了工程结构件能否正常运行以及结构件的服役寿命。我国的焊接应力的数值模拟开始于上世纪80年代，文献[4] 采用了数值分析的方法对白口铸铁焊接后残余应力场进行了有限元模拟；文献[5]研究了焊后锤击焊道释放部分应力的方法对焊后残余应力分布的影响进行了数值分析。在本文中，利用有限元软件模拟了焊接温度场的演变过程，分析了焊后残余应力的分布特点，为制定或修改合理的焊接工艺提供了理论依据。
本课题在此背景下，通过对P91钢的不同补焊工艺参数、焊接材料、坡口设计等方面的研究，总结P91钢补焊技术特点，并通过商业数值模拟软件ANSYS，建立P91钢补焊有限元模型，采取间接耦合法，基于APDL语言编写热源程序，建立P91三维有限元模型，模拟计算P91钢补焊的温度场和残余应力场，分析P91钢补焊工艺焊后残余应力的分布特征，为以后高温高压管道的可预测性维修提供理论依据，因此本课题具有很强的工程意义。
1.2 P91钢特点及焊接性
1.2.1 P91钢的特点
（1）冶金特点
P91钢是通过改进9Cr1Mo钢的成分形成的马氏体钢，具有优良的抗高温蠕变强度和抗氧化腐蚀性[610]、热膨胀系数低、导热性良好、易于机械加工以及较低的周疲劳特性，另外该种钢材在高温下仍具有优良的物理性能，因此多用于制造服役在高温高压环境中的结构，与P92相比，P91在屈服强度和抗拉强度方面都有明显的提高，在相同的温度及压力下，P91的管壁厚可减少一半。对于冲击韧性，P91钢的母材冲击韧性通常可以达到180J以上。其化学成分和物理特性如表1.1和表1.2所示：
表1.1 P91钢化学成分(%)
母材
C
Si
V
Mn
P
S
P91
0.08~0.12
0.20~0.50
0.18~0.25
0.3~0.60
0.02
目录
第1章 绪论 1
1.1 选题意义 1
1.2 P91钢特点及焊接性 2
1.2.1 P91钢的特点 2
1.2.2 P91钢的焊接性 3
1.3耐热不锈钢焊接工艺研究现状 4
1.3.2 不锈钢的补焊残余应力的研究 5
1.4主要的工作内容的介绍 7
第2章 试验设备及方 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
法 8
2.1 焊接试验 8
2.1.1焊接试验方案 8
2.1.2焊接试验材料及设备 8
2.1.3焊接试验方法 8
2.1.4 主要工艺参数 10
2.2焊接残余应力检测 11
2.2.1 盲孔法测残余应力原理 11
2.2.2盲孔法测残余应力步骤 13
2.3 本章小结 15
第3章 补焊残余应力结果分析 16
3.1 热源模型的选用 16
3.2 几何模型的建立 16
3.3 材料参数 17
3.4 网络的划分 17
3.5异质填充材料补焊残余应力分析 18
3.5.1焊接残余应力的分布云图 18
3.5.2残余应力分布曲线 24
3.6本章小结 30
结论 31
参考文献 32
致谢 35
第1章 绪论
1.1 选题意义
随着“中国制造2025”工业发展战略的提出，我国在对材料的连接技术、材料的综合力学性能等方面提出了更高的要求。以发电厂为例，超临界、超高临界发电机组的快速发展对于金属材料的高温许用应力、材料的高温疲劳强度、材料抗高温蠕变断裂的能力、耐高温腐蚀和耐蒸汽氧化腐蚀能力以及材料高温焊接性的要求越来越高[2]。P91耐热钢具有蠕变强度高、抗高温氧化腐蚀能力强、优异的导热性、机械加工性、热膨胀系数低等优点，从而成为制造高温管线钢的首选材料，现在已经成熟的应用于发电厂高温蒸汽管道、集热箱、再热器等在高温环境中服役的工程结构。
虽然P91钢越来越优先作为高温部件首选材料在发电、石油化工等行业中使用，可其可焊性仍然存在一定问题。焊接过程中受高温热作用合金元素的烧损，在焊缝熔合区附近δ铁素体形成和连接接头的机械强度的降低恶化了P91钢的电弧焊接性等常见问题尤为明显。在高温高压和腐蚀介质中，P91钢管的焊接接头承受着较大的拘束应力和振动载荷，这会使焊接接头出现焊接韧性低、焊接冷裂纹敏感、焊接热影响区软化、时效倾向以及在热影响区的IV型裂纹等问题[2,3]。
由于焊接接头在服役和加工过程中受自然条件和工艺设备相关不可控因素的影响，结构件在焊接制造过程中不可避免的会产生一些缺陷。而且，这些结构件往往是在高温高压的环境中服役，在原有制造过程中缺陷存在的同时往往会诱发一些新的缺陷，从而致使工程结构件返修率增高。局部补焊修复时，受不平衡热循环的影响焊后残余应力对焊接结构件稳定性的影响更加突出，焊接残余应力是诱发裂纹的重要因素[1]，在很大程度上决定了工程结构件能否正常运行以及结构件的服役寿命。我国的焊接应力的数值模拟开始于上世纪80年代，文献[4] 采用了数值分析的方法对白口铸铁焊接后残余应力场进行了有限元模拟；文献[5]研究了焊后锤击焊道释放部分应力的方法对焊后残余应力分布的影响进行了数值分析。在本文中，利用有限元软件模拟了焊接温度场的演变过程，分析了焊后残余应力的分布特点，为制定或修改合理的焊接工艺提供了理论依据。
本课题在此背景下，通过对P91钢的不同补焊工艺参数、焊接材料、坡口设计等方面的研究，总结P91钢补焊技术特点，并通过商业数值模拟软件ANSYS，建立P91钢补焊有限元模型，采取间接耦合法，基于APDL语言编写热源程序，建立P91三维有限元模型，模拟计算P91钢补焊的温度场和残余应力场，分析P91钢补焊工艺焊后残余应力的分布特征，为以后高温高压管道的可预测性维修提供理论依据，因此本课题具有很强的工程意义。
1.2 P91钢特点及焊接性
1.2.1 P91钢的特点
（1）冶金特点
P91钢是通过改进9Cr1Mo钢的成分形成的马氏体钢，具有优良的抗高温蠕变强度和抗氧化腐蚀性[610]、热膨胀系数低、导热性良好、易于机械加工以及较低的周疲劳特性，另外该种钢材在高温下仍具有优良的物理性能，因此多用于制造服役在高温高压环境中的结构，与P92相比，P91在屈服强度和抗拉强度方面都有明显的提高，在相同的温度及压力下，P91的管壁厚可减少一半。对于冲击韧性，P91钢的母材冲击韧性通常可以达到180J以上。其化学成分和物理特性如表1.1和表1.2所示：
表1.1 P91钢化学成分(%)
母材
C
Si
V
Mn
P
S
P91
0.08~0.12
0.20~0.50
0.18~0.25
0.3~0.60
0.02
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