本文基于ANSYS平台,分别对T91/12CrlMoV、T91/G102异种钢接头和T91/T91同种钢接头的焊接动态温度场和应力场进行了研究。针对接头的几何特点和焊接过程的加热特点建立有限元模型,选用高斯分布的热源模型,利用函数的功能实现热源的移动。采用非均匀网格划分,在分析过程中充分考虑了相变潜热以及材料热物理性能和力学性能随温度的变化,并对材料的高温性能参数进行了适当的选取和调整。利用生死单元技术实现了双道焊打底焊道与盖面焊道焊接动态过程的依次模拟。模拟中采用间接法顺序耦合分析焊接过程的热—应力效应。并针对计算中存在的材料非线性、几何非线性问题,选用双线性材料模式,并采用小时间计算步长来提高计算的收敛性能,同时采用完全牛顿-拉普森方法进行焊接应力场的求解。 研究内容包括:对三类接头焊接过程温度场的模拟,分析了焊接过程中温度场的变化规律:对焊接过程的应力场进行了热-力耦合分析:讨论了两类不同强度级别的耐热异种钢接头的焊材选择方案;分析了焊前预热温度和焊后去应力热处理对各类耐热钢接头焊后残余应力的影响:模拟了实际工作载荷作用下各类接头中的应力分布状况,讨论了应力分布对接头使用寿命的影响。 模拟结果表明:为减小焊接残余应力,T91/G102、T91/12CrlMoV两类异种钢接头焊接时选择H10Cr5Mo中强焊材为宜;焊前预热对降低T91钢小口径薄壁管接头焊接残余应力意义不大,但对于改善接头根部的微观组织与力学性能乃至降低冷裂纹倾向均会起到积极作用;焊后去应力热处理有助于降低接头中的焊接残余应力,延长接头的使用寿命,其中对T91同种钢接头去应力效果尤为显著;在锅炉内长期高温工作载荷作用下,异种钢焊接接头中会发生应力松弛,但在低强钢一侧焊接热影响区仍存在较高拉伸应力峰值,易导致该部位的早期断裂失效。 利用盲孔法之钻孔法对部分接头外表面的焊接残余应力状况进行了实测,验证了本文中模拟结果的可靠性及模拟方法的合理性。