奥氏体不锈钢焊接残余应力的数值模拟与测定.pdf

第2期 2016年2月 机械设计与制造 Machinery Design&Manufacture 45 奥氏体不锈钢焊接残余应力的数值模拟与测定 钟诚，惠虎 (华东理工大学机械与动力工程学院，上海200237) 摘要：奥氏体不锈钢因其低导热性和大膨胀系数，会导致较高的焊接残余应力。由于通常情况下奥氏体不锈钢不作 焊后热处理，探究其焊接残余应力对设计制造及后续安全评定有着重要意义。使用有限元数值模拟、x射线衍射法、应 力释放法三中方法针对奥氏体不锈钢焊接残余应力分布展开研究，并比较了三中方法的特点和适用情况，分析了实验 值和模拟计算结果之间产生差异的原因，并认为304奥氏体不锈钢的最大焊接残余应力接近甚至超过材料的非比例延 伸强度。 关键词：焊接残余应力；X射线衍射；应力释放；有限元分析；高斯热源 中图分类号：TH16；TG404 文献标识码：A 文章编号：1001—3997(2016)02—0045—04 Numerical Simulation and Determination of Welding Residual Stress in Austenitic Stainless SteeI ZHONG Cheng，HUI Hu (School of Mechanica!and Power Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China) Abstract：High we lding residual stress appears in austenitic stainless steel because of itslOW thermal conductivity and high expansion coefficient．It is important to research the welding residual stressfor design，manufacture and safety assessment since the heat treatment after welding is not pe咖rmed in austenitic stainless stee1．FEA，XRD and stress release were used and the results were compared tofind out the distribution ofwelding residual stress in austenitic stainless stee1．The results showed up that the max,im1．tm ofwelding residual stress in 304 austenitic stainless steel exceeds its non-proportional extension strength． Key Words：Welding Residual Stress；XRD；Stress Release；FLEA；Gauss Heat Source 1引言 随着国民经济的快速发展，液化天然气、液氧、液氮、液氩、 液氢等低温液化气体的需求量日益增加，使得奥氏体不锈钢深冷 压力容器的需求量日益增加『¨。 与普通低碳钢相比，奥氏体不锈钢的热传导系数更小、热膨 胀系数更大，焊接引入的残余应力也会更大，接近甚至超过奥氏 体不锈钢的非比例延伸强度(RpO．2) ；而根据现有规范GB15 规定及实际情况，奥氏体不锈钢压力容器在生产过程中不做焊后 去应力热处理。因此，探明生产过程中产生的残余应力大小和分 布，对设计制造及后续安全评定有着至关重要的意义。 模拟了焊接过程中温度及应力的分布，并通过X射线衍射法 (XRD)、应变释放法进行对比，针对奥氏体不锈钢焊接工艺试板内 的残余应力分布展开研究，并对研究方法和结果进行分析讨论。 2平面焊接残余应力的产生机理 通常习惯将沿焊缝方向的应力称作纵向应力，垂直于焊缝 方向的应力称作横向应力。在焊接的过程中，移动的集中热源使 得被焊工件上的温度分布随着空间和时间产生急剧的变化，在焊 缝成型并缓慢冷却至环境温度的过程中，由于原本存在的巨大温 度梯度，导致新成型的焊缝与母材的收缩程度不同，温度更高的 焊缝有更大的收缩趋势，而温度较低的母材收缩趋势较小，并且 阻碍了焊缝的收缩，因此焊缝及周围产生了与焊缝方向相同的纵 向拉应力。 由于纵向应力的产生，在母材靠近焊缝一侧产生一个压缩 外力，母材为了阻碍这一变形趋势，产生了一个弯矩与其平衡，进 而导致了横向残余应力的产生。并且，由于需要满足自平衡的关 系，这一应力中间为拉应力，两侧为压应力。 来稿日期：2015一O8—14 基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金(222201313014)；国家科技支撑计划(2011BAK06B02-04) 作者简介：钟诚，(1990-)，男，上海人，硕士研究生，主要研究方向：对奥氏体不锈钢应变强化项目焊接残余应力影响的研究； 惠虎。(1974一)，男，山东人，博士研究生，博士生导师，教授，主要研究方向：过程装备结构强度及安全保障技术等