304不锈钢管焊后热处理消除残余应力研究现状

进行304不锈钢管焊后热处理的目的主要有三个:一是释放焊缝金属中的有害气体,尤其是使焊缝金属中的扩散氢迅速逸出,降低焊缝区及热影响区的含氢量,防止产生304不锈钢管焊后冷裂纹;二是改善焊接接头的微观组织和结构,进而改善接头的机械性能;三是降低或消除焊接残余应力,稳定焊件的形状,减少304不锈钢管焊后畸变。在前两个方面目前主要通过试验方法来进行热处理效果对比和分析,在消除残余应力方面则多采用模拟和试验相结合的方法来研究。

热处理数值模拟研究最早出现在上世纪七十年代中期,日本京都大学的井上达夫教授等人建立了淬火热处理过程中材料的热学、力学和相变之间耦合作用的模型,为热处理模拟建立了基础。八十年代,304不锈钢管焊后热处理工艺松弛和释放焊接残余应力的数值模拟逐渐发展起来。Nair等人提出了一种数值模拟方案用于研究钢管对接焊接接头残余应力的产生及其在焊后热处理过程中的松弛行为,并采用304不锈钢和SAE 1020钢管进行了焊接和焊后热处理试验,通过试验数据验证了模拟结果的准确性和有效性。Josefson等人基于旋转对称性的假设对碳锰钢薄壁管道环向对接焊接接头的焊后热处理过程进行了数值模拟研究,探讨了不同焊后热处理对残余应力分布的影响,发现残余应力的减少量主要受保温温度的影响。随着计算机技术的飞快发展和基础理论的进步,焊后热处理数值模拟的研究更加深入和全面。AlbergBerglund[109]采取了五种不同的数值模型对马氏体不锈钢部件的焊接过程和焊后热处理过程进行了数值模拟和结果对比,比较的模型包括相变模型、塑性模型、粘塑性模型和蠕变模型等,指出应考虑诺顿定律使残余应力结果更加精确。Yaghi等人对发电厂中常用的P91管道焊接接头的熔焊过程和焊后热处理过程的残余应力变化进行了数值模拟,在焊后热处理过程中考虑了诺顿蠕变定律,蠕变参数从单轴拉伸试验中提取。Uzun等人结合人工智能原理开发出新的可以通过演化过程确定蠕变模型参数进而用于焊后热处理过程的模拟模糊算法,并且模拟了保温温度和保温时间对焊后热处理消残余应力效果的影响,发现保温时间在达到一定阈值时对残余应力释放幅度没有显著影响。同时,焊后热处理数值模拟也在向几何尺度更大、结构构造更复杂的焊件进步,Mitra等人使用采用限元分析方法对800mm厚的窄间隙焊接接头焊后热处理残余应力释放现象进行了研究和试验验证,并对保温温度和保温时间对应力消除的综合影响进行了研究,发现在较低的保温温度下,保温时间起着重要的作用,随着保温温度的升高,残余应力在保温初始阶段就已迅速降低,因此可以采用较高的保温温度来减少保温时间。

国内在焊后热处理数值模拟研究上也在快速的发展,取得了大量的研究成果。逯世杰等人基于MSC.Marc软件平台,开发了考虑蠕变效应的热弹塑性有限元计算模型,研究了蠕变对焊后热处理残余应力预测精度和计算效率的影响,发现热处理过程消除残余应力,是因为随着温度的升高,材料屈服强度的减小幅度大于弹性模量的减小幅度,进而使得材料弹性应变变小以及高温蠕变效应一起导致的结果。董平沙等人对焊后热处理过程中应力的松弛机制进行了研究,并分析了了保温温度、保温时间、焊件厚度和升温速率等焊后热处理参数对残余应力是释放效果的影响,发现焊后热处理最主要的应力消除机制是蠕变引起的应力松弛,同时热处理温度对残余应力的释放效果影响较大。随着实际生产中焊后热处理工艺理论指导的迫切需求,关于焊后热处理参数的设定、复杂构件的焊后热处理加热方式的选择等数值模拟也在快速发展并应用于工程实际中。申文飞等人对加氢反应器的焊后热处理工艺进行了有限元模拟,提出将加热带宽度改至270mm,保温毡宽度改至550mm,可以在残余应力基本一致的基础上有效地减少热处理过程中产生的畸变。李继红用有限元法模拟分析了离心压缩机叶轮的焊后热处理残余应力变化过程,并对比分析了热处理温度分别为为650℃、700℃和750℃下的残余应力降低效果,结果表明:3种温度下残余应力分别降低了49.3%54.5%62.7%750℃是叶轮焊后热处理消除残余应力较为理想的温度。

304不锈钢管焊后热处理的效果取决于多方面的原因,如热处理加热设备、304不锈钢管焊后热处理方式、304不锈钢管焊后热处理工艺参数和焊后热处理实际操作情况等因素。设计不合理的热处理工艺不但不会降低焊接接头的残余应力,反而会对焊接接头附加额外的热应力使接头过早失效。在陈忠兵等人对厚壁12Cr1MoVG钢三通管道焊接接头裂纹产生原因的研究中,根据有限元模拟发现不合理的焊后热处理工艺会导致管道的温度分布不均匀,从而会附加热应力,是接头产生裂纹的重要原因,根据结构特点将三通主管道进行辅助加热可以有效地使焊后热处理的温度分布更加均匀,进而有效减少额外附加的热应力。

综上所述,焊后热处理数值模拟技术已取得了丰硕的研究成果和很大的研究进展,传统的基于经验设定的焊后热处理工艺具有一定的盲目性,根据材料类型、结构特点和尺寸等方面来进行焊后热处理数值模拟进而为实际生产提供理论参考具有重要的的意义和价值。

文章作者:不锈钢管|304不锈钢无缝管|316L不锈钢厚壁管|不锈钢小管|大口径不锈钢管|小口径厚壁钢管

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