q345钢大型直缝焊管焊接残余应力控制研究

q345钢大型直缝焊管焊接残余应力控制研究

0热时效接应法焊接的剩余力和变形一直是国内外焊接科学家的中心问题。焊接残余应力和变形不但可能引起焊接工艺缺陷,而且在一定条件下将影响结构的承载能力,诸如强度、刚度和受压稳定性。除此以外还影响到结构的加工精度和尺寸稳定性。因此,一直以来,焊接学者们在不断地探索焊接残余应力和变形的控制、调整和减小的工艺方法和措施。随着钢铁行业的不断发展,传统的热时效工艺在技术上愈发成熟,相关的技术标准也比较完善。但是该工艺也受到结构件尺寸、材料(异种材料构造)的限制,而且可能出现热处理变形的新问题。振动时效(vibratorystressrelieving,VSR)是国内自1979年开始开发的工艺,主要用于焊接构件的消应力。它是一种以局部替代热处理,追求尺寸稳定性要求的工艺。该工艺采用激振装置对应力工件施以循环载荷,动应力与构件残余应力叠加达到材料的屈服强度,使构件发生局部塑性变形,这种塑性变形往往首先发生在残余应力最大处,使该处的约束变形得以释放,从而使工件残余应力降低、尺寸稳定,达到时效目的。文中采用热时效和振动时效两种工艺,对比研究了两种方法对直缝焊管焊接残余应力的影响,为直缝焊管应力消除方法的选择提供参考。1热效应和振动响应1.1试验材料试验用钢管材料为Q345钢,其化学成分和力学性能分别见表1和表2。直缝焊管尺寸为:长度12m,外径ϕ800mm,壁厚40mm。1.2试验结果及测量设备试验分别采用热时效和振动时效两种工艺进行消应力处理。热时效过程中,以100℃/h升温到650℃,保温2h后随炉冷却到300℃并空冷至室温。振动时效采用了KH2000型智能振动时效装置,激振器功率为3.6kW。振动时效设备和工艺参数分别如图1和表3所示。目前,残余应力测量法是时效效果评定的主要可行性手段。盲孔法是工程中最通用的一种残余应力测量方法。经过大量理论研究和实践验证,对其测量原理、实际工艺因素的影响和误差来源已经形成了比较完善的理论。文中试验的所有结果都是基于盲孔法获得的。残余应力测量采用CA—120型三向应变片和YJ—16静态电阻应变仪作为测量工具。每根焊管取端头和中央两个测区,每个测区在时效前后各设6个测点,其中热影响区和折弯线各2个测点,焊缝和母材区各1个测点。时效后的测点相对于时效前的测点沿管轴线偏离50mm。测点布置如图2所示。1.3平均最大主应力图3和图4分别为热时效和振动时效前后最大主残余应力比较。从图中可以看出,焊缝处的最大主应力均有明显下降。热时效处理后焊缝处最大主应力平均下降40%左右;振动时效后焊缝处的最大主应力平均下降22%。每个测区热影响区(HAZ)处的平均最大主应力的平均值均有所下降,但振动时效的效果更明显。而折弯线上应力的分布情况比较复杂,有些地方反复呈现上升趋势,不适合于单独讨论两种消应力工艺的对比。因为振动时效工艺是通过疲劳过程的应变累积来产生消应力效果的,折弯所产生的应变强化远大于振动时效带来的疲劳强化,储存在材料内部的因不均匀塑性变形导致的较高内应力有可能在周期性动应力作用下使材料内部与表面的应力均化,表现为管件表面应力升高。从图3和图4可看出母材区的表面应力低于焊接区的表面应力,但也有应力上升现象出现,这也是因为折弯成形构件表层下存在高应力所导致的。2总体的应力均化效果由于机理上的区别,热处理比振动时效的消应力效果更好,这种观点早在20年前就已定论。一般认为热处理的消应力效果为40%~70%,而振动时效则为20%~50%。这些结论与试验结果比较吻合。图3和图4表明,热时效和振动时效均能有效地降低直缝焊管的残余应力,焊缝区(焊缝+HAZ)比母材(折弯线+母材)区表现得更为明显。经过热时效和振动时效的直缝焊管的应力平均值比较如表4所示,可以更直观地看到试验中热时效方法的消应力效果在总体上优于振动时效。从工艺后的应力均化效果来分析:包括同测点的最大主应力Rmax与最小主应力Rmin的差值DR的统计结果,以及焊缝区与母材区的最大主应力Rmax、轴向应力Rz、环向应力Rθ的差值比较。差值越小,表明使用时的稳定性越好。具体见表5,表6和表7,不难看出在应力均化效果上热处理工艺更佳。但是由于各钢管的原始应力水平不一,从应力均化幅度的角度来看,热处理优势不很明显。从经济角度出发,注意到振动时效占据了绝对的优势。如表8所示,振动时效所采用的设备成本大约是热时效设备成本的10%?左?右,所占面积小,处理工件大小几乎不受限制,且消耗能源仅为热时效的5%左右。更为重要的是振动时效技术操作简便、缩短生产周期、不会带来热处理变形的新问题。尤其是对难以进行热时效处理的大型构件它更具有不可比拟的优越性。按机械行业有关焊接构件的技术标准要求,焊缝区的峰值应力下降率大于20%,可认为工艺有效。试验中振动时效处理后钢管中央焊缝的下降率为42%,端部与中央的平均下降率为21%,表明工艺已达到机械行业技术标准的要求。综合考虑工艺的可行性和经济性以及便捷性和快速性,确定Q345直缝焊管均采用振动时效方法来消除残余应力。3铸态组织焊缝热时效(1)热时效和振动时效都能有效降低大型直缝焊管的焊接残余应力。其中振动时效对铸态组