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    2. 304不銹鋼管焊后熱處理消除殘余應力研究現狀

      進行304不銹鋼管焊后熱處理的目的主要有三個:一是釋放焊縫金屬中的有害氣體,尤其是使焊縫金屬中的擴散氫迅速逸出,降低焊縫區及熱影響區的含氫量,防止產生304不銹鋼管焊后冷裂紋;二是改善焊接接頭的微觀組織和結構,進而改善接頭的機械性能;三是降低或消除焊接殘余應力,穩定焊件的形狀,減少304不銹鋼管焊后畸變。在前兩個方面目前主要通過試驗方法來進行熱處理效果對比和分析,在消除殘余應力方面則多采用模擬和試驗相結合的方法來研究。

      熱處理數值模擬研究最早出現在上世紀七十年代中期,日本京都大學的井上達夫教授等人建立了淬火熱處理過程中材料的熱學、力學和相變之間耦合作用的模型,為熱處理模擬建立了基礎。八十年代,304不銹鋼管焊后熱處理工藝松弛和釋放焊接殘余應力的數值模擬逐漸發展起來。Nair等人提出了一種數值模擬方案用于研究鋼管對接焊接接頭殘余應力的產生及其在焊后熱處理過程中的松弛行為,并采用304不銹鋼和SAE 1020鋼管進行了焊接和焊后熱處理試驗,通過試驗數據驗證了模擬結果的準確性和有效性。Josefson等人基于旋轉對稱性的假設對碳錳鋼薄壁管道環向對接焊接接頭的焊后熱處理過程進行了數值模擬研究,探討了不同焊后熱處理對殘余應力分布的影響,發現殘余應力的減少量主要受保溫溫度的影響。隨著計算機技術的飛快發展和基礎理論的進步,焊后熱處理數值模擬的研究更加深入和全面。AlbergBerglund[109]采取了五種不同的數值模型對馬氏體不銹鋼部件的焊接過程和焊后熱處理過程進行了數值模擬和結果對比,比較的模型包括相變模型、塑性模型、粘塑性模型和蠕變模型等,指出應考慮諾頓定律使殘余應力結果更加精確。Yaghi等人對發電廠中常用的P91管道焊接接頭的熔焊過程和焊后熱處理過程的殘余應力變化進行了數值模擬,在焊后熱處理過程中考慮了諾頓蠕變定律,蠕變參數從單軸拉伸試驗中提取。Uzun等人結合人工智能原理開發出新的可以通過演化過程確定蠕變模型參數進而用于焊后熱處理過程的模擬模糊算法,并且模擬了保溫溫度和保溫時間對焊后熱處理消殘余應力效果的影響,發現保溫時間在達到一定閾值時對殘余應力釋放幅度沒有顯著影響。同時,焊后熱處理數值模擬也在向幾何尺度更大、結構構造更復雜的焊件進步,Mitra等人使用采用限元分析方法對800mm厚的窄間隙焊接接頭焊后熱處理殘余應力釋放現象進行了研究和試驗驗證,并對保溫溫度和保溫時間對應力消除的綜合影響進行了研究,發現在較低的保溫溫度下,保溫時間起著重要的作用,隨著保溫溫度的升高,殘余應力在保溫初始階段就已迅速降低,因此可以采用較高的保溫溫度來減少保溫時間。

      國內在焊后熱處理數值模擬研究上也在快速的發展,取得了大量的研究成果。逯世杰等人基于MSC.Marc軟件平臺,開發了考慮蠕變效應的熱彈塑性有限元計算模型,研究了蠕變對焊后熱處理殘余應力預測精度和計算效率的影響,發現熱處理過程消除殘余應力,是因為隨著溫度的升高,材料屈服強度的減小幅度大于彈性模量的減小幅度,進而使得材料彈性應變變小以及高溫蠕變效應一起導致的結果。董平沙等人對焊后熱處理過程中應力的松弛機制進行了研究,并分析了了保溫溫度、保溫時間、焊件厚度和升溫速率等焊后熱處理參數對殘余應力是釋放效果的影響,發現焊后熱處理最主要的應力消除機制是蠕變引起的應力松弛,同時熱處理溫度對殘余應力的釋放效果影響較大。隨著實際生產中焊后熱處理工藝理論指導的迫切需求,關于焊后熱處理參數的設定、復雜構件的焊后熱處理加熱方式的選擇等數值模擬也在快速發展并應用于工程實際中。申文飛等人對加氫反應器的焊后熱處理工藝進行了有限元模擬,提出將加熱帶寬度改至270mm,保溫氈寬度改至550mm,可以在殘余應力基本一致的基礎上有效地減少熱處理過程中產生的畸變。李繼紅用有限元法模擬分析了離心壓縮機葉輪的焊后熱處理殘余應力變化過程,并對比分析了熱處理溫度分別為為650℃、700℃和750℃下的殘余應力降低效果,結果表明:3種溫度下殘余應力分別降低了49.3%、54.5%62.7%,750℃是葉輪焊后熱處理消除殘余應力較為理想的溫度。

      304不銹鋼管焊后熱處理的效果取決于多方面的原因,如熱處理加熱設備、304不銹鋼管焊后熱處理方式、304不銹鋼管焊后熱處理工藝參數和焊后熱處理實際操作情況等因素。設計不合理的熱處理工藝不但不會降低焊接接頭的殘余應力,反而會對焊接接頭附加額外的熱應力使接頭過早失效。在陳忠兵等人對厚壁12Cr1MoVG鋼三通管道焊接接頭裂紋產生原因的研究中,根據有限元模擬發現不合理的焊后熱處理工藝會導致管道的溫度分布不均勻,從而會附加熱應力,是接頭產生裂紋的重要原因,根據結構特點將三通主管道進行輔助加熱可以有效地使焊后熱處理的溫度分布更加均勻,進而有效減少額外附加的熱應力。

      綜上所述,焊后熱處理數值模擬技術已取得了豐碩的研究成果和很大的研究進展,傳統的基于經驗設定的焊后熱處理工藝具有一定的盲目性,根據材料類型、結構特點和尺寸等方面來進行焊后熱處理數值模擬進而為實際生產提供理論參考具有重要的的意義和價值。

      文章作者:不銹鋼管|304不銹鋼無縫管|316L不銹鋼厚壁管|不銹鋼小管|大口徑不銹鋼管|小口徑厚壁鋼管

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