异种钢焊接接头残余应力理论预测的基础问题研究结题摘要

本项目的主要目标是开发高精度材料模型和高效计算方法来模拟各种焊接接头的残余应力。在本研究中，重点研究了几种核电和火电等高端装备中的异种钢焊接接头的残余应力的分布特征以及在建筑钢结构中的一些典型厚大焊接接头和结构的焊接残余应力分布特征。取得的主要研究成果包括：1）基于实验测量和数据收集，初步建立了包括奥氏体不锈钢、镍基合金和低合金高强度钢在内的数种典型结构材料的温度依存的热物理和力学性能数据库，为准确计算这些材料的焊接残余应力奠定了基础。2）开发了固态相变材料模型来高精度地模拟如P91/P92等材料的焊接残余应力。同时，采用数值Satoh实验澄清了固态相变在焊接残余应力形成过程中所起的作用。3）开发焊后热处理计算方法，研究了焊后热处理对P91钢焊接残余应力的影响。4）澄清了加工硬化准则和退火软化效应对奥氏体不锈钢和镍基合金的焊接残余应力计算精度的影响，针对工程实际应用，在平衡实用性与计算精度的条件下，推荐了简便材料模型。5）针对厚大焊接接头，在考虑结构和材料特点的前提下，提出了高效的热源模型来模拟焊接残余应力。6）详细研究了SUS304/Q345异种钢接头的焊接残余应分布特点。7）开发高精度的材料模型，数值模拟了P92/SUS304异种钢多层多道焊接接头的残余应力。基于数值模拟结果详细分析了焊接残余应力的分布特征。8）采用本研究开发的数值模拟方法计算了核电中几种典型异材焊接接头的残余应力。 本研究取得的成果使采用数值模拟方法高精度地预测复杂形状、厚大形状和异种钢焊接接头的残余应力成为了可能。项目取得的研究成果不仅实质性地推动了计算焊接力学学科的发展，本项目开发的数值计算方法也具备较高工程应用价值，这些计算方法可以直接用于如核电、火电等高端装备中典型焊接接头的残余应力的理论预测。

以核电设备中典型结构材料奥氏体不锈钢、镍合金和低合金高强钢的焊接接头为研究对象，采用物理实验与数值模拟技术相结合的方法，对焊接残余应力理论预测的若干基础问题进行深入研究。一方面通过设计合理的实验方案，测量母材和焊缝金属的高温力学性能、固态相变相关参数和退火效应温度等，为数值模拟提供准确的材料数据。另一方面开发可变长度热源模型以及考虑加工硬化、退火效应和固态相变的先进材料模型来高效、高精度地模拟厚大焊接接头的残余应力。利用实验测量的材料数据和所开发的数值模拟方法，澄清材料的屈服强度、加工硬化、退火效应及固态相变等对焊接残余应力的影响。本项目的目标是通过数值模拟结果与实验的反复比较和验证，最终确立预测焊接残余应力的高效、高精度热-冶金-力学耦合的有限元计算方法。该数值模拟方法将是核电设备中关键焊接接头结构完整性和使用寿命评价的有效工具，同时它也能用于指导制定合理的焊接工艺和优化焊接接头设计。

消除残余应力是机械制造领域中的一项关键技术，本项目针对目前消除残余应力方法的局限性以及微观激励有效性分析，提出一种消除残余应力的新方法-电击法。本项目的主要研究内容包括：采用微观动力学理论，研究脉冲或交变电流消除导电材料内部残余应力及脉冲或交变电场消除绝缘材料内部残余应力的机理；研究不同性质材料对残余应力的敏感电参数，分析电击法消除材料内部残余应力效果在线定量评价法则；研究实现电击法消除残余应力的相关工艺及关键技术，研制电击法消除残余应力装置的原理性样机。.本项目研究成果实现一种适用于多种材料、绿色环保、经济方便的消除残余应力的方法，它将广泛地应用于我国航空、航天、国防、微机电技术、纳米技术、生物技术等涉及到机械制造的领域，并对其发展起到积极的推动作用。 2100433B

《残余应力基础理论及应用》一书共分7章。第1章系统阐述了残余应力的产生机理，并说明了残余应力的影响；第2章详细介绍了磁测法、超声波法、X射线法和中子衍射法等残余应力无损检测技术；第3章介绍了小孔法、深孔法、切槽法和云纹干涉法等残余应力有损检测技术；第4章通过各种实例，说明了工程检测特点；第5章介绍了残余应力的调控与消除方法；第6章介绍了各向异性材料残余应力；第7章结合残余应力的具体工程应用实例，对预拉伸板、喷丸成形、表面强化等残余应力加以分析，阐述了残余应力的重要作用，并分析了残余应力对裂纹萌生和扩展的影响。全书理论、实验与应用并重，宏观和微观相结合，既注重理论体系的完整性，又注重工程实际的应用性，其中介绍的典型零件涵盖了航空、汽车、核电、轨交、桥梁和化工等领域。本书是一部近年来有关残余应力研究的很好的总结，也是一部实用性较强的专业技术工具书。

本书可供从事材料、热处理、表面工程、交通、航空航天、机械专业的技术人员与科研人员参考阅读，也可作为高等院校相关专业师生的参考书。

业务预测涉及的基本问题包括以下几点。

（1）基础资料的收集和信息资源的充分利用。编制人员一定要尽最大努力获得一手资料，即尽最大努力深入一线前沿实地调查，到营业厅、网管、计费、经分、客服等地方收集资料。上报资料即二手资料要尽量核实后采用，避免上报口径误差与人为误差。

（2）预测基础量和派生量的选择确定。

（3）基本参数的设定。

（4）基础数据口径的统一及与国内、国际的接轨。

（5）预测结果所处范围的合理性的审定。

（6）预测结果与环境分析部分内容吻合性的审定。

（7）预测结果的修正。