Cr-Mo钢的焊接和焊后局部热处理力学行为工艺优化的计算机模拟.doc

Cr-Mo钢的焊接和焊后局部热处理力学行为及工艺优化的计算机模拟 上海交通大学 硕士学位论文 Cr-Mo钢的焊接和焊后局部热处理力学行为及工艺优化的计算机 模拟 姓名:吴通 申请学位级别:硕士 专业:材料加工工程 指导教师:陆皓 2003.2.1摘 要 目前管子焊接和局部热处理还存在下列问题 对影响焊接和局部热处理残 余应力的因素研究不够系统 对局部热处理的机理 结构等因素的作用研究不 够充分 各个国家关于管子局部焊后热处理的加热宽度的标准存在很大差异等 本文用有限元分析方法对上述问题进行了研究 为实际焊接工艺和热处理工艺 参数的确定提供了理论依据 本文以碳钢 牌号为 STPT480 9Cr-1Mo和 2.25Cr-Mo钢管子为研究对象 建立了轴对称有限元分析模型 考虑材料热物理性能和力学性能的非线性 模 拟出不同条件下的焊接残余应力状态 热弹塑性有限元分析结果表明 在管子内表面焊缝和近缝区产生了内凹的 残余变形和拉伸残余应力 随热输入的增加 残余应力峰值变化不大 塑性变 形区宽度增加 多层焊的焊接方法能降低焊接残余应力 多层焊焊接应力的模 拟在一定程度上可以由最外一层或几层焊接所替代 Cr-Mo 钢存在低温相变 焊接冷却阶段低温相变产生的相变应力抵消了一部分残余应力 三维有限元数值模拟得出的焊接残余应力较好地同实验结果相吻合 采用 移动的焊接热源时 残余应力和变形主要集中在始焊 终焊 位置 其它位置 残余应力变化不大 三维有限元数值模拟的应力结果较轴对称模拟得出的结果 精确 但需要花费更多的计算时间和计算成本 用考虑蠕变的粘弹塑性有限元方法成功地预测了局部焊后热处理的残余应 力 分析表明 加热宽度对局部热处理的消应力效果有很大影响 峰值残余应 力随加热宽度的增加而降低 当加热宽度达到一定程度后 残余应力变化十分 缓慢 因此 有一个临界的热处理加热宽度存在 保温宽度对残余应力的影响 不大 本文综合现有的焊接传热学 焊接力学和数值模拟手段探讨了管子焊接和 管子焊后局部热处理的力学行为和热处理加热宽度准则 对 Cr-Mo 钢和碳钢 不同管子几何尺寸 不同的焊接参数做了较为全面的讨论 为管子焊接和局部 热处理的工艺参数制定提供了理论依据 应力 应变实验结果表明 基于蠕变 法则的粘弹塑性有限元分析可以应用于局部热处理力学行为分析和工艺参数的 确定 关键词 热弹塑性局部热处理蠕变相变 IABSTRACT The mechanical behavior of pipe welding and Post Welding Heat Treatment PWHT was studied by researchers for many years. But till now, there are many problems that need to further study and solve in this science field. Firstly, factors that affect the welding residual stress should be studied in full-scale. Secondly, no sufficient works has been taken to investigate the mechanism of PWHT. Thirdly, the criteria of local PWHT on welded pipe is very different with different countries. In this dissertation, the mechanical behavior under local PWHT has been studied by the FEM analysis to solve the above problems and set a theoretical base for the determination of processing parameters to actual local PWHT. In the dissertation, three materials, carbon steel, 2.25Cr-Mo steel, and 9Cr-1Mo steel, are studied. Axial symmetric FEM models are created and to be used to analyze the distribution of residual stress using thermo-elastic-plastic method under differ