在焊接碳當(dāng)量較高或合金含量較高的鋼時，由于固態(tài)相變發(fā)生的溫度區(qū)間相對較低，因此在冷卻過程中的固態(tài)相變不可避免會對最終的殘余應(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，如果不考慮固態(tài)相變的影響得到的計(jì)算結(jié)果將會與真實(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殘余應(yīng)力形成過程及最終殘余應(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)相變中的三個主要因素即體積膨脹、屈服強(qiáng)度變化和相變超塑性對殘余應(yīng)力形成過程的影響。同時，還以平板TIG重熔模型為研究對象，采用三維有限元模型和移動熱源系統(tǒng)討論了固態(tài)相變對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P91鋼的Satoh試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，在模擬Satoh試驗(yàn)時，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)相變各因素對熱循環(huán)作用下殘余應(yīng)力形成過程的影響，在數(shù)值模擬中考慮了5種情況，見表1。
試驗(yàn)結(jié)果表明：
（1）在P91鋼焊接冷卻過程中，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)度變化對殘余應(yīng)力有明顯的影響，對于單道焊接而言，考慮過冷奧氏體的屈服強(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。
（3）相變塑性適度緩解了因體積膨脹引起的縱向應(yīng)力下降趨勢和橫向應(yīng)力上升趨勢，在殘余應(yīng)力的形成過程中有一定的“松弛”效應(yīng)。
（4）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。