焊接是核电设备中常见的连接成型方式。作为焊接结构的薄弱环节,焊缝的质量和性能直接关系到核电设备的安全运行和服役寿命。由于长期在高温、高压环境下运行,焊接接头中常会发生蠕变裂纹、应力腐蚀裂纹等早期失效行为。焊接残余应力作为焊缝早期失效行为的主要诱因,是核电设备结构完整性和安全使用寿命评估的重要指标。典型的核电材料,诸如Cr-Mo钢和NiCrMoV钢,在焊接过程中会发生固态相变,影响焊接残余应力的演化过程和分布特征。在厚大结构多层多道焊过程中,固态相变对焊接残余应力的影响更为明显,回火效应也不容忽视。此外,环焊缝焊接始终端位置的应力分布特征和演化过程也值得关注。由于采用实验手段难以准确获取大型焊接结构上的残余应力分布,特别是焊缝内部或应力梯度较大的位置,数值模拟方法就成为了解决该问题的最佳途径。开发可靠的数值计算方法,澄清固态相变、回火效应和始终端效应对核电材料焊接残余应力的影响,将有助于工程人员预测实际焊接结构的残余应力分布,评价核电设备的安全服役寿命。本文以核电设备中常见的30Cr2Ni4MoV钢、P92钢和2.25Cr-1Mo钢为研究对象,基于焊接专用有限元软件SYSWELD,开发了考虑固态相变、回火效应的材料模型和热-冶金-力学耦合的数值计算方法。本课题采用数值方法研究了固态相变和相变方式对30Cr2Ni4MoV钢焊接残余应力的影响。预测了P92钢多层多道焊平板对接接头的温度场和应力分布,并采用小孔法针对性地进行了实验验证。通过对比实验结果和数值预测结果,验证了数值计算方法的有效性;更进一步的,基于Satoh实验澄清了回火效应对焊接残余应力演化过程的影响机理。本课题还采用3-D模型和移动热源模拟了2.25Cr-1Mo核电圆管对接接头的焊接残余应力分布,在计算过程中同时考虑了扩散型相变、非扩散型相变和回火效应,并通过全释放法进行了实验验证;同时,设计了简化的模拟方案,在平板模型上讨论焊接始终端位置的残余应力分布特征和演化过程。研究结果表明:对于30Cr2Ni4MoV钢,固态相变和相变方式显著影响焊接残余应力的形成和演化过程。固态相变能够降低焊缝中的纵向拉应力,而相变方式决定了拉应力降低的程度。对于实际的30Cr2Ni4MoV构件,焊接和热处理模拟中必须考虑固态相变的影响,并忠实于实际的相变方式,以保障模拟结果的有效性。本课题所开发的数值计算方法可以有效预测P92钢平板对接接头的焊接残余应力分布。多层多道焊条件下,顶层焊道数和焊道分布决定了最终的焊接残余应力分布状态。对于10mm厚的P92试板,焊接过程中的回火现象不明显。但Satoh实验表明,理想状态下回火效应使得拉应力峰值降低约200MPa(25%).对于2.25Cr-1Mo圆管接头,固态相变使得焊缝内的周向应力呈现出鱼鳞状的分布特征,轴向应力受应力平衡作用更为明显。回火效应对焊缝表面的应力峰值和分布影响较小,但对焊缝内部的应力有明显的松弛作用。由于材料经历两次奥氏体化和固态相变过程,环焊缝始终端位置的残余应力波动较大。实际焊接过程中始终端效应不可避免,必须采取适当措施降低始终端应力波动现象对焊缝整体力学性能的影响。