奥氏体不锈钢是一种重要的工程材料,近年来被广泛地应用到核电装备和工程机械设备等领域中。焊接是一种用于奥氏体不锈钢的重要加工工艺。焊接过程中,在不均匀温度场的作用下,不可避免会产生焊接残余应力和变形。一般情况下,焊接残余应力场取决于几个主要因素:材料性质、结构尺寸、外部约束条件以及焊接热过程。研究表明,焊接残余应力和变形对焊接结构的静载强度、疲劳强度、结构稳定性以及冷加工过程中的制造精度等都有非常不利的影响。此外,焊接残余拉伸应力是导致合金焊接结构件产生应力腐蚀裂纹的重要原因。因此,如何准确预测和评估焊接结构中的残余应力已经成为备受关注的研究课题。奥氏体不锈钢非常容易加工硬化,在焊接过程中,焊缝及其附近的金属经历了多次热循环,使得这部分金属产生了一定程度的塑性变形而被加工硬化,同时,产生加工硬化的金属在被加热到高温过程中会因回复、再结晶和晶粒长大等而使在较低温度下产生的加工硬化得到消除,所以为了准确预测奥氏体不锈钢焊接接头的残余应力,需要在材料模型(本构关系)中仔细考虑加工硬化和退火软化效应。本文以ABAQUS软件为平台,开发了用于模拟奥氏体不锈钢多层多道焊接过程的热-弹-塑性有限元计算方法。利用所开发的计算方法,研究了加工硬化和退火软化对奥氏体不锈钢SUS304焊接接头的焊接残余应力计算结果的影响,并通过试验方法验证了数值模拟结果的准确性。此外,在此基础上对奥氏体不锈钢SUS304厚板补焊和奥氏体不锈钢异种钢圆管焊接残余应力进行了数值模拟预测。研究结果表明:1)对于奥氏体不锈钢SUS304焊接接头,在只考虑加工硬化但不考虑退火软化的情况下计算得到的焊接残余应力高于实测值,因此数值模型中需要考虑退火软化效应。随着退火温度的升高,纵向残余应力的峰值增大,同时高应力区也随之扩大。在本研究中,退火温度对横向残余应力的影响很小。将退火温度设定为1000oC时,计算得到的纵向残余应力与实测值比较接近。2)不考虑加工硬化模型计算得到的残余应力值明显小于实验值,因此,在计算奥氏体不锈钢焊接残余应力时,有必要考虑材料的加工硬化。此外,各向同性硬化模型会高估焊件的残余应力,移动硬化模型会低估焊件的残余应力,而混合硬化模型相对其它两种硬化模型能够较好地预测焊件的焊接残余应力。3)补焊过程会对原有应力场进行重新分布。对于纵向残余应力,其残余应力值都会增大;而对于横向残余应力,拉应力值会增大,压应力峰值会有所减小。4)对于奥氏体不锈钢异材管接头,焊缝金属及其附近的位置的轴向和周向残余应力很大,径向应力分布较平缓,且峰值应力较小。对于环焊缝而言,焊接起始和终止部位的焊接残余应力分布与其他部位不同,且较为复杂。