q345鋼大型直縫焊管焊接殘余應力控制研究

0熱時效接應法焊接的剩余力和變形一直是國內外焊接科學家的中心問題。焊接殘余應力和變形不但可能引起焊接工藝缺陷,而且在一定條件下將影響結構的承載能力,諸如強度、剛度和受壓穩定性。除此以外還影響到結構的加工精度和尺寸穩定性。因此,一直以來,焊接學者們在不斷地探索焊接殘余應力和變形的控制、調整和減小的工藝方法和措施。隨著鋼鐵行業的不斷發展,傳統的熱時效工藝在技術上愈發成熟,相關的技術標準也比較完善。但是該工藝也受到結構件尺寸、材料(異種材料構造)的限制,而且可能出現熱處理變形的新問題。振動時效(vibratorystressrelieving,VSR)是國內自1979年開始開發的工藝,主要用于焊接構件的消應力。它是一種以局部替代熱處理,追求尺寸穩定性要求的工藝。該工藝采用激振裝置對應力工件施以循環載荷,動應力與構件殘余應力疊加達到材料的屈服強度,使構件發生局部塑性變形,這種塑性變形往往首先發生在殘余應力最大處,使該處的約束變形得以釋放,從而使工件殘余應力降低、尺寸穩定,達到時效目的。文中采用熱時效和振動時效兩種工藝,對比研究了兩種方法對直縫焊管焊接殘余應力的影響,為直縫焊管應力消除方法的選擇提供參考。1熱效應和振動響應1.1試驗材料試驗用鋼管材料為Q345鋼,其化學成分和力學性能分別見表1和表2。直縫焊管尺寸為:長度12m,外徑?800mm,壁厚40mm。1.2試驗結果及測量設備試驗分別采用熱時效和振動時效兩種工藝進行消應力處理。熱時效過程中,以100℃/h升溫到650℃,保溫2h后隨爐冷卻到300℃并空冷至室溫。振動時效采用了KH2000型智能振動時效裝置,激振器功率為3.6kW。振動時效設備和工藝參數分別如圖1和表3所示。目前,殘余應力測量法是時效效果評定的主要可行性手段。盲孔法是工程中最通用的一種殘余應力測量方法。經過大量理論研究和實踐驗證,對其測量原理、實際工藝因素的影響和誤差來源已經形成了比較完善的理論。文中試驗的所有結果都是基于盲孔法獲得的。殘余應力測量采用CA—120型三向應變片和YJ—16靜態電阻應變儀作為測量工具。每根焊管取端頭和中央兩個測區,每個測區在時效前后各設6個測點,其中熱影響區和折彎線各2個測點,焊縫和母材區各1個測點。時效后的測點相對于時效前的測點沿管軸線偏離50mm。測點布置如圖2所示。1.3平均最大主應力圖3和圖4分別為熱時效和振動時效前后最大主殘余應力比較。從圖中可以看出,焊縫處的最大主應力均有明顯下降。熱時效處理后焊縫處最大主應力平均下降40%左右;振動時效后焊縫處的最大主應力平均下降22%。每個測區熱影響區(HAZ)處的平均最大主應力的平均值均有所下降,但振動時效的效果更明顯。而折彎線上應力的分布情況比較復雜,有些地方反復呈現上升趨勢,不適合于單獨討論兩種消應力工藝的對比。因為振動時效工藝是通過疲勞過程的應變累積來產生消應力效果的,折彎所產生的應變強化遠大于振動時效帶來的疲勞強化,儲存在材料內部的因不均勻塑性變形導致的較高內應力有可能在周期性動應力作用下使材料內部與表面的應力均化,表現為管件表面應力升高。從圖3和圖4可看出母材區的表面應力低于焊接區的表面應力,但也有應力上升現象出現,這也是因為折彎成形構件表層下存在高應力所導致的。2總體的應力均化效果由于機理上的區別,熱處理比振動時效的消應力效果更好,這種觀點早在20年前就已定論。一般認為熱處理的消應力效果為40%~70%,而振動時效則為20%~50%。這些結論與試驗結果比較吻合。圖3和圖4表明,熱時效和振動時效均能有效地降低直縫焊管的殘余應力,焊縫區(焊縫+HAZ)比母材(折彎線+母材)區表現得更為明顯。經過熱時效和振動時效的直縫焊管的應力平均值比較如表4所示,可以更直觀地看到試驗中熱時效方法的消應力效果在總體上優于振動時效。從工藝后的應力均化效果來分析:包括同測點的最大主應力Rmax與最小主應力Rmin的差值DR的統計結果,以及焊縫區與母材區的最大主應力Rmax、軸向應力Rz、環向應力Rθ的差值比較。差值越小,表明使用時的穩定性越好。具體見表5,表6和表7,不難看出在應力均化效果上熱處理工藝更佳。但是由于各鋼管的原始應力水平不一,從應力均化幅度的角度來看,熱處理優勢不很明顯。從經濟角度出發,注意到振動時效占據了絕對的優勢。如表8所示,振動時效所采用的設備成本大約是熱時效設備成本的10%?左?右,所占面積小,處理工件大小幾乎不受限制,且消耗能源僅為熱時效的5%左右。更為重要的是振動時效技術操作簡便、縮短生產周期、不會帶來熱處理變形的新問題。尤其是對難以進行熱時效處理的大型構件它更具有不可比擬的優越性。按機械行業有關焊接構件的技術標準要求,焊縫區的峰值應力下降率大于20%,可認為工藝有效。試驗中振動時效處理后鋼管中央焊縫的下降率為42%,端部與中央的平均下降率為21%,表明工藝已達到機械行業技術標準的要求。綜合考慮工藝的可行性和經濟性以及便捷性和快速性,確定Q345直縫焊管均采用振動時效方法來消除殘余應力。3鑄態組織焊縫熱時效(1)熱時效和振動時效都能有效降低大型直縫焊管的焊接殘余應力。其中振動時效對鑄態組