膜式水冷壁的使用不仅可以提高锅炉的密封性和燃料的利用率,还可以降低炉墙的厚度和重量等,因而被广泛地应用于大型锅炉容器的内壁。但是膜式水冷壁在工作条件下会受到火焰的高温加热和气流的压力等作用,极易产生高温腐蚀,缩短其使用寿命。因此,国外逐步采用在膜式水冷壁的单面堆焊镍基合金的方法来解决其高温腐蚀问题。本文基于ANSYS软件模拟分析了三种不同热输入量及三点约束条件对膜式水冷壁堆焊过程中的瞬态温度场和残余应力应变场分布的影响。并且利用试验结果和模拟结果相互验证和指导,最终形成能够有效控制膜式水冷壁单面堆焊残余变形的焊接方法。温度场模拟结果表明,加热过程中热源所到达的位置温度迅速达到熔点,热源离开后温度迅速降低到600℃左右,然后缓慢冷却,且升温速度明显大于冷却速度。热源加热10秒后温度场开始呈准稳态分布。随着热输入的增加,熔池的最高温度逐渐增加,温差达到100℃以上,而冷却速度逐渐变慢,使得熔池变深,焊缝热影响区宽度变大。组织中铁素体含量增多,珠光体含量降低,并出现了魏氏组织。应力应变场模拟分析结果表明,三种不同热输入得到的残余应力分布云图形状类似,但是随着热输入的增加,膜式水冷壁中残余应力的分布区域逐渐变大,而最大应力值却稍有降低。随着热输入的增大,膜式水冷壁堆焊的残余变形量也逐渐增大,但变化不明显,从5.4mm增大到6.2mm,增加了约12.9%。当膜式水冷壁在堆焊前施加三点约束时,膜式水冷壁的残余应力主要集中在约束位置,呈现拉应力集中,而其他位置的应力相对较小。此时,堆焊后的残余变形量得到了明显的降低,最大变形量发生在宽度方向,为0.8mm,说明提前施加约束可以有效地控制堆焊后的宏观变形量。对比发现,数值模拟得到的残余变形量和实际焊接实验得到的残余变形量基本吻合,数据偏差最大为14.8%,说明了数值模拟的准确性较高。通过CMT控制热输入量外加约束的方法可以有效地控制膜式水冷壁的焊后残余变形,得到的焊缝成型良好,稀释率较低,满足应用要求。