在零件表面采用堆焊工艺制备一层具有特殊性能的堆焊层,是一种以较低成本获取高性能表面层的工艺方法,在实际生产中具有广泛应用。在煤化工领域使用的高温阀门密封面,要求其同时具有耐蚀、耐高温、耐磨损及抗热疲劳等性能,常规的不锈钢材料难以满足上述性能要求。因此以不锈钢为基体,在其表面上堆焊一层钴基合金来制备高温阀门密封面就成为一种比较合理的工艺措施。然而,由于基体与堆焊层化学成分差别大,其力学性能及热物理参数差别也很大,焊接过程产生的应力往往导致堆焊层开裂等问题。因此,研究不同焊接工艺条件下堆焊层的温度场和应力场的分布,为采用等离子弧堆焊工艺制备大尺寸密封环钴基堆焊层的工艺优化及生产提供理论依据,具有重要的学术意义和工程价值。本文以中心线半径为24英寸,基体为347H不锈钢的密封环表面上堆焊Co-Cr-Mo-Si系钴基合金为研究对象,建立密封环堆焊有限元模型。通过生死单元技术和等密度热源移动相结合方式模拟堆焊过程中焊接电弧移动和合金粉末熔敷的过程。在实验验证热源有效性后,建立了不同焊接工艺条件下的模型,模拟了强拘束条件下不同焊接预热温度、焊接顺序、焊接后热温度对密封环堆焊温度场、应力场分布的影响。温度场数值模拟结果表明:焊接预热可以提高工件整体温度,预热温度越高,热源峰值温度越高,热源附近的温度梯度有所下降;分段退焊时,后一道堆焊对前一道有一定热作用,部分节点经历二次热循环,整个环的温度场分布更加均匀;焊接后热时,密封环经过短时间吸热或散热后,达到相应的热处理温度并保持恒定,最终以相同冷却速率降至室温。应力场数值模拟结果表明:密封环堆焊层表面径向残余应力随着半径的增大经历了拉应力-压应力-拉应力变化,且中心处压应力最大;堆焊层表面周向残余应力为拉应力,中心处拉应力比两侧大;随着预热温度的升高,应力分布趋势基本一致,应力峰值有所下降;当焊接顺序为分段退焊时,焊接残余应力最小;密封环进行后热处理后,应力分布趋势不变,堆焊层表面径向残余压应力有所增大,周向残余拉应力降低;在预热温度为400℃时,应力降幅最大,随着预热温度上升,应力降幅减小;采用X射线衍射仪测定密封环表面残余应力分布,结果与相同工艺条件下应力场模拟结果吻合较好。