气阀作为船舶柴油机的重要组成部分,它使用的稳定性和安装精度直接影响着整个发动机组的使用寿命。目前,气阀密封面普遍采用粉末等离子堆焊高温合金的工艺技术。由于在局部施加高流量密度的等离子弧热源后自激冷却,无法避免的在焊接完成后会存在较大的焊接残余应力,严重影响了气阀在复杂工况下的使用性能。另一方面,焊后热处理通常是企业用来消除焊接残余应力的主要方法,但是在实际生产中的热处理工艺参数大多依靠工人经验设定,缺少理论支持。因此,本文以船用排气阀为研究对象,采用ABAQUS有限元分析软件,对船用气阀等离子堆焊残余应力及其焊后热处理过程进行数值模拟,并进行了1:1的焊接和热处理试验,验证模拟仿真的可靠性。得到如下结论:(1)利用热-弹-塑性直接耦合法,研究了气阀等离子堆焊过程中温度场和残余应力的分布状态。本文充分考虑了不同材料的母材和焊料以及各自在高温状态下的热物性能参数对焊接残余应力分布状态的影响,基于实际焊接模型,选取双椭球热源作为焊接热源,并通过Fortan语言二次开发子程序,实现热源的移动加载。结果表明:焊接开始时,温度场梯度较大,随后逐渐趋于稳定,并出现尾拖,在达到120°C左右下降开始变缓;应力场峰值在焊缝融合线附近,焊件形状对焊接应力分布存在较大影响,环形焊件末端与起始端应力分布存在较大差异,仅有环向残余应力分布呈现首尾对称。(2)利用瞬态热分析法,在前人研究的基础上,基于蠕变准则,对比了两种不同的热处理工艺参数对残余应力释放的影响。结果表明:升温过程中,在蠕变温度前后采用不同速率的加热方式,残余应力降低效果更显著,并出现大面积较低压应力,但不能改变残余应力总体分布规律。(3)利用控制变量法,分析讨论了热处理过程中工艺参数的变化对焊接残余应力释放的影响。结果表明:残余应力释放量的大小主要由热处理温度决定,但是当温度升高至650°C时,焊件中间区域容易产生应力集中;保温时间对残余应力释放量的影响很小,可以根据实际生产需求尽量缩短保温时间。(4)为了验证模拟结果的准确性,通过观察焊接形貌、荧光探伤、金相检验等方式验证是否存在焊接缺陷,并将无缺陷的焊接件进行热处理试验,通过硬度检测、拉伸实验、显微组织等方式验证热处理模型的准确性,最后通过X射线衍射法验证残余应力消除效果。结果表明:通过对比实验结果与模拟预测,两者误差在10%以内,验证了模拟计算的有效性。