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异种金属焊接接头,近年来被越来越广泛地应用到核电装备和工程机械设备等领域中以满足各种复杂和苛刻条件的要求。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。异种金属焊接接头中由于各材料的热物理性质和力学性能间存在着较显著的差异,因而容易导致异种金属焊接接头产生较大且不易被消除的焊接残余应力。此外,异种金属接头在焊接冷却后残余应力与变形的分布与同种金属接头相比更为复杂。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。因此,如何控制和减小焊接结构中的残余应力与变形已经成为备受关注的研究课题。作为基础研究,本文以ABAQUS软件为平台,开发了用于模拟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,对板厚10 mm的Q345/SUS304异种钢平板对接接头的温度场、应力场和变形进行数值模拟,并通过试验方法验证了数值模拟结果的准确性。采用数值和试验的方法研究了Q345/SUS304异种钢接头残余应力和变形的分布规律,并研究了开口朝向和坡口形式对异种钢接头残余应力和变形的影响。为改善异种钢接头的焊接工艺、控制和减小异种钢焊接残余应力与变形提供理论基础。实验研究表明:1)Q345/SUS304异种钢对接接头SUS304侧的纵向拉伸应力区域大于Q345侧,同时在Q345/焊缝(Y309L)的熔合线附近纵向拉伸应力分布有明显的不连续特征;Q345/SUS304异种钢焊接接头的横向收缩和角变形都比较明显。异种钢焊接接头角变形的大小更趋近于易发生变形的同质SUS304不锈钢接头。2)K形坡口接头开口朝向Q345侧相较于朝向SUS304侧,焊缝附近的高拉伸残余应力区分布范围和应力峰值均明显小于后者。数值和实验结果表明,坡口形式(V形坡口和K形坡口)对接头的角变形有明显的影响。3)V形坡口接头左、右两侧高纵向拉伸应力区域均明显大于X形坡口,V形坡口的横向拉伸残余应力区域和峰值、横向收缩和角变形均大于X形坡口。另外,在前人研究的基础上,我们通过开发新的考虑加工硬化和退火的热-弹-塑性有限元计算方法,模拟研究了核电站喷嘴构件的焊接残余应力分布情况。这一实例研究对预测实际工程结构中的焊接残余应力具有一定的指导意义。