應變強化對304不銹鋼管焊接殘余應力的影響

  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?？v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?？v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?？梢钥闯?，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??；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?，F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。