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應變強化對304不銹鋼管焊接殘余應力的影響

來源:至德鋼業 日期:2020-11-04 14:01:17 人氣:830

  浙江至德鋼業有限公司技術人員發現焊接殘余應力是引起304不銹鋼管失效的主要原因之一。采用有限元方法,模擬304不銹鋼管焊接試板的焊后殘余應力分布,表現為焊后殘余應力值較大,超過了材料屈服極限。縱向殘余應力為拉應力,沿焊縫方向表現為中間大兩端小,橫向殘余應力兩端表現為較大的壓應力,中間部分為拉應力。通過應變強化,可以顯著改善焊縫的殘余應力大小和均勻性,除焊縫中心部位尚存少許殘余應力外,其余部分的殘余應力基本消除。


 304不銹鋼管被廣泛應用于承裝腐蝕性介質的石油化工行業中。由于304不銹鋼管具有較低的傳熱系數和較高的熱膨脹系數,在容器焊接過程中會產生大量的收縮、變形和殘余應力。通常對于在腐蝕性介質中工作的焊接結構必須進行焊后熱處理,以消除因焊接帶來的殘余應力,但是對304不銹鋼管焊接結構進行熱處理具有一定的危險性,因此在我國GB150規范中建議一般不對304不銹鋼管進行整體的焊后固溶熱處理。


 由于焊接殘余應力的存在,工作在腐蝕性介質中的304不銹鋼管易發生應力腐蝕開裂,大大降低容器的使用壽命,因此必須考慮采用其他方式來消除容器的焊接殘余應力。目前,將應變強化技術應用于304不銹鋼管是我國大力開展和推廣的一種綠色制造技術,該技術通過對304不銹鋼管施加一定的壓力,使其發生不超過10%的塑性變形量,從而提高材料的屈服極限,使容器壁厚減薄,重量大幅減輕,從而實現壓力容器的輕量化設計。在應變強化過程中,由于容器的整體發生塑性變形,則相應的焊縫也得到強化,這對改善甚至消除焊接殘余應力是有效的。


 至德鋼業針對上述問題,通過數值模擬,首先探明304不銹鋼管的焊接殘余應力分布和大小,并研究應變強化對改善焊接殘余應力的作用。


一、焊接參數


選用牌號為S30408的國產奧氏體不銹鋼管作為焊接母材,其化學成分如表所示。采用多道次手工電弧焊,焊接電流90A,電弧電壓24~28 V,焊接速度4 mm/s,電弧熱效率取0.77,焊縫熔敷金屬的主要成分如表2所示。母材和焊縫的屈服強度R p0.2分別為295 MPa和340 MPa。


二、焊接試板有限元模型


 采用ANSYS進行數值模擬,焊接溫度場和應力場的模擬單元分別選擇Solid 70和Solid 45,其余熱物理參數和力學性能參數參考文獻]選取。為簡化計算,忽略焊縫與母材屈服極限的差異。焊接的熱源模型選用雙橢球高斯熱源,該模型考慮了電弧在熔深方向的加熱作用,屬于三維熱源模型,能更真實地體現焊接的熱過程,提高模擬精度。


 考慮到焊接試板的對稱性,取其一半作為分析模型,相應的尺寸為120×60×3 mm。在焊接溫度場模擬時,取對稱面為絕熱邊界條件,其他表面為對流換熱面,并將輻射系數疊加到對流系數中加以考慮。焊接的初始溫度為20?C。在焊接應力場模擬時,為防止計算中產生剛性位移,同時又不阻礙焊接過程中中應力的自由釋放和變形,因而在X=0(以A點所在位置為坐標原點)處施加對稱約束,對點B限制Y和Y方向,對點C限制Z方向,如圖所示。


三、焊接工藝試板的殘余應力


 圖是沿路徑AD的縱向和橫向殘余應力分布曲線。通常習慣將沿焊縫方向的應力稱作縱向應力,垂直于焊縫方向的應力稱作橫向應力。從圖中可以看出,縱向殘余應力整體表現為拉應力,在路徑AD中間(即焊接試板中部)的殘余應力較大,且形成了一個相對穩定的區域,其最大值為334 MPa;而在路徑AD兩端應力數值較小。縱向殘余應力產生的原因是在焊接冷卻過程中,焊縫縱向收縮受約束,其中中間部分的約束大于兩端,因此整體數值上表現為中間大兩端小。


 橫向殘余應力的總體分布規律與縱向不同,在路徑AD兩端均表現為較大的殘余壓應力,最大值為?324 MPa,中間部位表現為殘余拉應力。可以看出,304不銹鋼盤管焊接后產生的殘余應力非常大,甚至超過了材料的屈服極限。其余邊緣無拘束試板而言,橫向殘余應力產生的原因是由于焊縫的縱向收縮。圖是沿路徑EF的縱向和橫向殘余應力分布曲線,縱向殘余應力在路徑EF的約1/3處表現為殘余拉應力,應力值隨著離開E點距離的增加而減小;在路徑EF的剩余部分均表現為壓應力,且數值隨著距離的增加呈現出逐漸增大的趨勢;橫向殘余應力在整個路徑上均表現為拉應力,靠近焊縫處的應力值較大,隨著離開焊縫距離的增加而逐漸減小。


四、應變強化對焊接殘余應力的影響


 在焊接應力場模擬的基礎上,采用ANSYS提供的單點重啟動分析方法進行焊后應變強化過程的模擬。在設置邊界條件及載荷時,對X=0、Y=0和Z=0的三個面進行位移約束,在X=60的面施加不同的應變強化壓力值進行加載及卸載進行求解,得到不同應變強化壓力作用下的焊接殘余應力分布。根據前文分析可知,試板的縱向殘余應力比橫向殘余應力大的多,因而下文重點討論路徑EF的縱向殘余應力。


 在不同的應變強化壓力σk作用下,304不銹鋼管試板的縱向殘余應力分布如圖所示。當施加的強化壓力σk超過材料屈服極限10MPa時,焊縫的縱向殘余應力分布有明顯改善,最大殘余拉應力值從334MPa下降至147 MPa,最大殘余壓應力值從?216 MPa下降至?108 MPa;當施加的強化壓力σk超過材料屈服極限20 MPa時,最大殘余拉應力值下降至105 MPa,最大殘余壓應力值下降至?55 MPa。當σk繼續增加至超過屈服極限30和40 MPa時,縱向殘余應力的分布基本保持穩定,除靠近焊縫處尚有少許殘余應力(最大拉應力約為70 MPa,最大壓應力約為?15 MPa)外,其他部位的殘余應力已基本消除,且焊接試板的整體殘余應力分布較均勻。現行的應變強化標準規定,對304不銹鋼管按照應力控制模式實施應變強化工藝時,應變強化壓力值一般不超過410 MPa,基于大量的試驗表明,S30408不銹鋼盤管的初始屈服強度約為245~320MPa,因而在應變強化壓力作用下可以保證充分消除304不銹鋼管的焊接殘余應力。


五、結論


 1. 通過有限元計算,得到了S30408奧氏體不銹鋼管試板的焊接焊接殘余應力分布曲線,其中縱向殘余應力整體為拉應力,沿焊縫方向表現為中間大兩端小。橫向殘余應力兩端表現為較大的壓應力,中間部分為拉應力。橫向和縱向殘余應力最大值均超過了材料屈服極限。


 2. 模擬了在應變強化壓力作用下,304不銹鋼管試板的焊接殘余應力分布情況。應變強化對焊縫殘余應力的大小和均勻性均有明顯改善作用,當強化壓力超過材料屈服極限30~40MPa時,除焊縫中心部位尚存少許殘余應力外,其余部分的殘余應力基本消除。


本文標簽:304不銹鋼管 

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