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应变强化对304不锈钢盘管焊接残余应力的影响

来源:至德钢业 日期:2020-05-23 02:07:02 人气:107

焊接残余应力是引起304不锈钢盘管失效的主要原因之一。采用有限元方法,模拟304不锈钢盘管焊接试板的焊后残余应力分布,表现为焊后残余应力值较大,超过了材料屈服极限。纵向残余应力为拉应力,沿焊缝方向表现为中间大两端小,横向残余应力两端表现为较大的压应力,中间部分为拉应力。通过应变强化,可以显著改善焊缝的残余应力大小和均匀性,除焊缝中心部位尚存少许残余应力外,其余部分的残余应力基本消除。

304不锈钢盘管被广泛应用于承装腐蚀性介质的石油化工行业中。由于304不锈钢盘管具有较低的传热系数和较高的热膨胀系数,在容器焊接过程中会产生大量的收缩、变形和残余应力。通常对于在腐蚀性介质中工作的焊接结构必须进行焊后热处理,以消除因焊接带来的残余应力,但是对304不锈钢盘管焊接结构进行热处理具有一定的危险性,因此在我国GB150规范中建议一般不对304不锈钢盘管进行整体的焊后固溶热处理。

由于焊接残余应力的存在,工作在腐蚀性介质中的304不锈钢盘管易发生应力腐蚀开裂,大大降低容器的使用寿命,因此必须考虑采用其他方式来消除容器的焊接残余应力。目前,将应变强化技术应用于304不锈钢盘管是我国大力开展和推广的一种绿色制造技术,该技术通过对304不锈钢盘管施加一定的压力,使其发生不超过10%的塑性变形量,从而提高材料的屈服极限,使容器壁厚减薄,重量大幅减轻,从而实现压力容器的轻量化设计[5][6]。在应变强化过程中,由于容器的整体发生塑性变形,则相应的焊缝也得到强化,这对改善甚至消除焊接残余应力是有效的。

本文针对上述问题,通过数值模拟,首先探明304不锈钢的焊接残余应力分布和大小,并研究应变强化对改善焊接残余应力的作用。

2.焊接参数

选用牌号为S30408的国产奥氏体不锈钢盘管作为焊接母材,其化学成分如表1所示。采用多道次手工电弧焊,焊接电流90 A,电弧电压24~28 V,焊接速度4 mm/s,电弧热效率取0.77,焊缝熔敷金属的主要成分如表2所示。母材和焊缝的屈服强度R p0.2分别为295 MPa340 MPa

3.焊接试板有限元模型

采用ANSYS进行数值模拟,焊接温度场和应力场的模拟单元分别选择Solid 70Solid 45(1),其余热物理参数和力学性能参数参考文献[8][9]选取。为简化计算,忽略焊缝与母材屈服极限的差异。焊接的热源模型选用双椭球高斯热源,该模型考虑了电弧在熔深方向的加热作用,属于三维热源模型,能更真实地体现焊接的热过程,提高模拟精度。

考虑到焊接试板的对称性,取其一半作为分析模型,相应的尺寸为120×60×3 mm。在焊接温度场模拟时,取对称面为绝热边界条件,其他表面为对流换热面,并将辐射系数叠加到对流系数中加以考虑。焊接的初始温度为20˚C。在焊接应力场模拟时,为防止计算中产生刚性位移,同时又不阻碍焊接过程中中应力的自由释放和变形,因而在X=0(A点所在位置为坐标原点)处施加对称约束,对点B限制YY方向,对点C限制Z方向,如图2所示。

4.焊接工艺试板的残余应力

3是沿路径AD的纵向和横向残余应力分布曲线。通常习惯将沿焊缝方向的应力称作纵向应力,垂直于焊缝方向的应力称作横向应力。从图中可以看出,纵向残余应力整体表现为拉应力,在路径AD中间(即焊接试板中部)的残余应力较大,且形成了一个相对稳定的区域,其最大值为334 MPa;而在路径AD两端应力数值较小。纵向残余应力产生的原因是在焊接冷却过程中,焊缝纵向收缩受约束,其中中间部分的约束大于两端,因此整体数值上表现为中间大两端小。

横向残余应力的总体分布规律与纵向不同,在路径AD两端均表现为较大的残余压应力,最大值为−324 MPa,中间部位表现为残余拉应力。可以看出,304不锈钢盘管焊接后产生的残余应力非常大,甚至超过了材料的屈服极限。其余边缘无拘束试板而言,横向残余应力产生的原因是由于焊缝的纵向收缩。图4是沿路径EF的纵向和横向残余应力分布曲线,纵向残余应力在路径EF的约1/3处表现为残余拉应力,应力值随着离开E点距离的增加而减小;在路径EF的剩余部分均表现为压应力,且数值随着距离的增加呈现出逐渐增大的趋势;横向残余应力在整个路径上均表现为拉应力,靠近焊缝处的应力值较大,随着离开焊缝距离的增加而逐渐减小。

5.应变强化对焊接残余应力的影响

在焊接应力场模拟的基础上,采用ANSYS提供的单点重启动分析方法进行焊后应变强化过程的模拟。在设置边界条件及载荷时,对X=0Y=0Z=0的三个面进行位移约束,在X=60的面施加不同的应变强化压力值进行加载及卸载进行求解,得到不同应变强化压力作用下的焊接残余应力分布。根据前文分析可知,试板的纵向残余应力比横向残余应力大的多,因而下文重点讨论路径EF的纵向残余应力

在不同的应变强化压力σk作用下,304不锈钢盘管试板的纵向残余应力分布如图5所示。当施加的强化压力σk超过材料屈服极限10 MPa时,焊缝的纵向残余应力分布有明显改善,最大残余拉应力值从334MPa下降至147 MPa,最大残余压应力值从−216 MPa下降至−108 MPa;当施加的强化压力σk超过材料屈服极限20 MPa时,最大残余拉应力值下降至105 MPa,最大残余压应力值下降至−55 MPa。当σk继续增加至超过屈服极限3040 MPa时,纵向残余应力的分布基本保持稳定,除靠近焊缝处尚有少许残余应力(最大拉应力约为70 MPa,最大压应力约为−15 MPa)外,其他部位的残余应力已基本消除,且焊接试板的整体残余应力分布较均匀。现行的应变强化标准规定,对304不锈钢盘管按照应力控制模式实施应变强化工艺时,应变强化压力值一般不超过410 MPa,基于大量的试验表明,S30408不锈钢盘管的初始屈服强度约为245~320MPa,因而在应变强化压力作用下可以保证充分消除304不锈钢盘管的焊接残余应力。

6. 结论

1)通过有限元计算,得到了S30408奥氏体不锈钢盘管试板的焊接焊接残余应力分布曲线,其中纵向残余应力整体为拉应力,沿焊缝方向表现为中间大两端小。横向残余应力两端表现为较大的压应力,中间部分为拉应力。横向和纵向残余应力最大值均超过了材料屈服极限。

2)模拟了在应变强化压力作用下,304不锈钢盘管试板的焊接残余应力分布情况。应变强化对焊缝残余应力的大小和均匀性均有明显改善作用,当强化压力超过材料屈服极限30~40 MPa时,除焊缝中心部位尚存少许残余应力外,其余部分的残余应力基本消除。

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