在焊接碳當(dāng)量較高或合金含量較高的鋼時(shí)，由于固態(tài)相變發(fā)生的溫度區(qū)間相對(duì)較低，因此在冷卻過(guò)程中的固態(tài)相變不可避免會(huì)對(duì)最終的殘余應(yīng)力有較明顯的影響。當(dāng)采用數(shù)值模擬方法計(jì)算這些材料的殘余應(yīng)力時(shí)，如果不考慮固態(tài)相變的影響得到的計(jì)算結(jié)果將會(huì)與真實(shí)值之間有大的誤差。在以往的研究中，研究者采用二維模型研究了固態(tài)相變對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響，數(shù)值結(jié)果表明，固態(tài)相變引起的體積變化對(duì)焊接殘余應(yīng)力有較顯著的影響。但是，以往的研究者較少考慮固態(tài)相變引起的屈服強(qiáng)度變化和相變超塑性對(duì)殘余應(yīng)力形成過(guò)程及最終殘余應(yīng)力分布的影響。
作為基礎(chǔ)研究，采用SYSWELD軟件對(duì)P91鋼材料的Satoh試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，探討了固態(tài)相變中的三個(gè)主要因素即體積膨脹、屈服強(qiáng)度變化和相變超塑性對(duì)殘余應(yīng)力形成過(guò)程的影響。同時(shí)，還以平板TIG重熔模型為研究對(duì)象，采用三維有限元模型和移動(dòng)熱源系統(tǒng)討論了固態(tài)相變對(duì)P91鋼接頭的焊縫和熱影響區(qū)的焊接殘余應(yīng)力的影響。
研究首先對(duì)P91鋼的Satoh試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，在模擬Satoh試驗(yàn)時(shí)，有限元模型為棒狀，將模型整體加熱到固態(tài)相變溫度以上的某一溫度，再冷卻到室溫，為了考察固態(tài)相變各因素對(duì)熱循環(huán)作用下殘余應(yīng)力形成過(guò)程的影響，在數(shù)值模擬中考慮了5種情況，見(jiàn)表1。
試驗(yàn)結(jié)果表明：
（1）在P91鋼焊接冷卻過(guò)程中，奧氏體-馬氏體固態(tài)相變引起的體積膨脹大幅減少了在過(guò)冷奧氏體冷卻階段累積的縱向拉伸應(yīng)力。與此相反，相變引起的體積膨脹使得焊縫和熱影響區(qū)的橫向應(yīng)力有所增加。
（2）固態(tài)相變引起的屈服強(qiáng)度變化對(duì)殘余應(yīng)力有明顯的影響，對(duì)于單道焊接而言，考慮過(guò)冷奧氏體的屈服強(qiáng)度變化似乎要比考慮馬氏體相變后的屈服強(qiáng)度變化更為重要。
?。?）相變塑性適度緩解了因體積膨脹引起的縱向應(yīng)力下降趨勢(shì)和橫向應(yīng)力上升趨勢(shì)，在殘余應(yīng)力的形成過(guò)程中有一定的“松弛”效應(yīng)。
?。?）在考慮固態(tài)相變影響的情況下，計(jì)算得到的焊縫及HAZ區(qū)域的縱向殘余應(yīng)力明顯低于沒(méi)有考慮固態(tài)相變的情況，不考慮相變的情況下，焊縫和熱影響區(qū)的縱向應(yīng)力很高，其峰值與材料的屈服強(qiáng)度相當(dāng)，而在考慮固態(tài)相變的情況下，焊縫與HAZ的縱向應(yīng)力不超過(guò)100MPa。在研究的三種情況中，縱向拉伸應(yīng)力的峰值都出現(xiàn)在HAZ與母材交界的位置。