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严春妍等：9Ni钢焊接残余应力的数值模拟
9Ni钢焊接残余应力的数值模拟
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严春妍，李午申，杨顺贞，白世武，薛振奎
(1.河海大学机电工程学院，江苏常州213022
2.天津大学材料科学与工程学院，天津300072
3.中国石油天然气管道科学研究院，河北廊坊065000)
摘要：本文以液化天然气储罐用9Ni钢为研究对象，以热动力学、金属物理学和力学等基本理论为基础，采用
SYSWELD有限元计算软件对其多道多层焊的应力场进行了数值模拟。计算时，采用双椭球焊接热源模型，考虑
材料热物理性能与温度的非线性关系，以及相变潜热对温度场的影响，实现焊接温度场、组织转变场和应力应变
场的三场耦合计算。通过模拟，得出了9Ni钢焊接接头残余应力的分布。计算结果表明，9Ni钢焊接热影响区残
余应力水平最高，是整个焊接接头的应力集中部位；纵向残余应力在焊缝及热影响区表现为拉应力，远离热影响
区部位表现为压应力。计算所得残余应力的分布与理论分析相一致。
关键词：液化天然气储罐；9Ni钢；多道多层焊；数值模拟
序言
9Ni钢是世界范围内广泛用作液化天然气（Liquefiednaturalgas，LNG）储罐的内壁材料，因其在-16
2℃下仍具有较高的强度和优良的韧性，目前已成为国际上低温设备领域广泛使用的钢种。近年来，我国
正在广东、福建、上海和山东等地陆续建造大型LNG储罐，使得9Ni钢的相关应用技术也受到极大的重
视[1,2]。由于LNG储罐的焊接多采用多道多层焊，焊接过程较为复杂[3-5]，因此，了解9Ni钢焊接接头
残余应力的大小和分布对优化焊接工艺、预防焊接裂纹的产生来说十分重要。
本研究采用SYSWELD有限元计算软件，建立符合实际情况的几何模型，并通过参数校正获得精度较
高的双椭球移动热源模型，对9Ni钢多道多层焊的焊接残余应力进行了数值模拟。
1试验材料和方法
1.1试验材料
试验材料为ASTMA5539Ni钢板，板厚为22mm。其主要化学成分如表1所示。
为保证9Ni钢焊接热影响区在低温下仍保持较高的韧性，避免因不均匀的热胀冷缩造成的热应力，焊
接试验采用高镍型NYLOID2ENiCrMo-6型焊条，其主要化学成分如表2所示。
表19Ni钢的化学成分（质量分数，%）
CMnPSSiNiCr
0.0360.5920.0030.00030.2099.1150.042
表2ENiCrMo-6型焊条的化学成分（质量分数，%）
CMnSiNiCrMoNbWFe
0.053.00.4681361.51.56
1.2试验方法
焊件的尺寸为500mm×160mm×22mm，开V型坡口，坡口角度为45°。焊接时采用焊条电弧焊，焊
件初始温度为20℃，焊接电压为23V，焊接电流为110A，焊接速度为8.4cm/min，层间温度为100℃。焊
第十五次全国焊接学术会议论文集，2010年7月2-8日，青海西宁期
缝共五层，一层打底焊、三层填充焊缝及一层盖面焊。
2焊接过程物理模型的建立
2.1焊接热源
热源模型的选取是否合理，直接影响到最终模拟结果
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