焊后熱處理消除管道環(huán)縫焊接殘余應(yīng)力的有限元模擬*

0 前 言

焊接過程中， 由于熱源作用于焊件的焊縫位置， 因此焊件的溫度場分布不均勻， 焊縫中心的溫度遠(yuǎn)超過熔點， 在高溫作用下， 焊縫金屬逐步向外膨脹， 同時又會受到熱影響區(qū)附近鋼材的約束， 進(jìn)而在焊件內(nèi)部產(chǎn)生焊接內(nèi)應(yīng)力

，焊接內(nèi)應(yīng)力隨高溫作用時間不斷發(fā)生變化。 由于溫度分布不均勻， 局部位置的內(nèi)應(yīng)力已經(jīng)超過材料的屈服強(qiáng)度， 并產(chǎn)生塑性變形， 當(dāng)恢復(fù)至初始溫度狀態(tài)時， 將會產(chǎn)生新的內(nèi)應(yīng)力， 也被稱為殘余應(yīng)力

。

谷城縣級財政部門積極落實各項扶貧政策，推行負(fù)面清單制度，在依法依規(guī)與探索創(chuàng)新中尋求對接，在項目規(guī)劃與資金管理上促進(jìn)對接，承擔(dān)著諸多風(fēng)險，把控著資金監(jiān)管，做了許多有益的探索，取得了較好的成效。但在實際操作過程中，也遇到不少難點和困惑，存在的問題主要集中在統(tǒng)籌的范圍和使用方向上、對政策的落實和理解偏差上以及扶貧資金的使用效益上。

不銹鋼焊接變形一般分為縱向收縮、 橫向收縮、 縱向彎曲和角變形等

。 制定合適的熱處理工藝， 將焊接完成之后的薄板進(jìn)行熱處理， 可有效降低鋼制焊接構(gòu)件的形變率。 環(huán)形焊縫屬于復(fù)雜構(gòu)件， 薄板環(huán)形焊縫殘余應(yīng)力實際測量困難較大， 很難獲取精準(zhǔn)數(shù)據(jù)， 而有限元模擬可以很好地預(yù)測和分析熱處理前后殘余應(yīng)力分布規(guī)律

。

關(guān)于環(huán)形焊縫的熱力耦合分析， 國內(nèi)外學(xué)者均做了許多研究工作， 并建立了各種可以預(yù)測溫度場和應(yīng)力場的有限元模型。 Brickstad 等

選用二維軸對稱模型， 利用非線性熱力耦合數(shù)值成功模擬了管道對接多道焊過程。 東北大學(xué)李友

認(rèn)為600 ℃以上的焊后熱處理可使發(fā)生強(qiáng)制變形處于彈性狀態(tài)的焊接鋼制結(jié)構(gòu)件由彈性變形轉(zhuǎn)化為塑性變形。 上海交通大學(xué)樊睿智

在考慮蠕變機(jī)制的條件下得出蠕變對降低焊接接頭的殘余應(yīng)力有顯著的作用。

相關(guān)部門對古城的保護(hù)措施缺乏一定的公開民主性，其真實性操作和現(xiàn)實情況沒有被大眾直接了解到，這不僅降低了政府的被監(jiān)督性，而且也限制了大眾對國家大事的關(guān)注程度[3]。而對于公民本身而言，當(dāng)社會輿論停留在一個事件的表層時，很難引發(fā)公眾的深層探討，而建言獻(xiàn)策更是無從談起。由此看來，公民對城市建設(shè)的實際參與程度并沒有很高，且處于被動的狀態(tài)，缺乏大眾的支持自然不利于保護(hù)戰(zhàn)略的實施。

本研究以ABAQUS 軟件為基礎(chǔ)， 首先建立二維軸對稱模型， 模擬304 不銹鋼管的溫度場和焊接殘余應(yīng)力場， 獲取了溫度場和焊接殘余應(yīng)力場分布特征。 之后根據(jù)熱-彈塑性有限元模型，在考慮蠕變效應(yīng)的基礎(chǔ)上， 將焊接獲得的殘余應(yīng)力值作為焊后熱處理的初始狀態(tài)， 并根據(jù)304 不銹鋼管材料的特點制定了去應(yīng)力退火工藝， 獲取了焊后熱處理之后的殘余應(yīng)力場的分布特征。

從國際范圍來看，由于自由貿(mào)易區(qū)建設(shè)帶來了更多的經(jīng)濟(jì)和外貿(mào)刺激作用，因此，世界范圍內(nèi)自貿(mào)區(qū)的數(shù)量越來越多，覆蓋的國家及地區(qū)越來越多；且隨著自貿(mào)區(qū)內(nèi)出口貿(mào)易企業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的完善，自貿(mào)區(qū)的功能也開始有了綜合性的發(fā)展；其次，由于世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展在各區(qū)域的差異較大，因此，因地制宜和特色化管理制度的自貿(mào)區(qū)也開始廣泛化發(fā)展[2]。

環(huán)縫TIG 焊接及焊后熱處理模擬試驗是一個完整的有限元分析過程， 圖2 為TIG 焊接數(shù)值模擬流程圖。

1 焊接數(shù)值模擬

經(jīng)PWHT 后， 分別提取了焊縫及熱影響區(qū)的上、 下表面位置殘余應(yīng)力的分布值， 如圖8 所示。 從圖8 可以看出， 管道環(huán)縫焊接接頭厚度方向 （S11） 的下表面應(yīng)力消除的效果非常顯著，上表面應(yīng)力集中減少， 應(yīng)力分布更加均勻； 環(huán)向（S22） 上、 下表面應(yīng)力值雖略有增長， 但是應(yīng)力集中位置也逐漸減少， 應(yīng)力分布趨于平緩， 也是一個 “自平衡” 的表現(xiàn)； 縱向 （S33） 上表面殘余應(yīng)力數(shù)值上略有降低， 但是壓應(yīng)力變?yōu)榱死瓚?yīng)力， 下表面焊接接頭的殘余應(yīng)力從拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力， 且應(yīng)力值降低， 同時應(yīng)力集中位置減少，應(yīng)力分布同樣趨于平緩。

式中： Δε

——總應(yīng)變增量；

Δε

——彈性應(yīng)變；

Δε

——塑性應(yīng)變；

圖5 和圖6 分別為焊件熱處理前和熱處理后不同方向殘余應(yīng)力值分布圖。 從圖5、 圖6 可以看出， 厚度方向殘余應(yīng)力減少最為明顯， 峰值應(yīng)力由236.9 MPa 減少至20.44 MPa， 縱向峰值應(yīng)力也由382.6 MPa 減少至59.08 MPa。 但是環(huán)向降低最不明顯， 峰值應(yīng)力由311.3 MPa 減小到263.9 MPa。

熱模擬過程應(yīng)力隨溫度變化情況如圖3 所示， 橙色線段部分表示溫度提升的過程中材料內(nèi)部的應(yīng)力隨溫度的變化圖。 在虛線左側(cè)， 加熱并恢復(fù)室溫， 材料內(nèi)應(yīng)力均可得以消除， 屬于彈性應(yīng)變； 在虛線右側(cè)， 當(dāng)外界應(yīng)力超過材料在該溫度的屈服極限， 即使材料繼續(xù)升溫，其內(nèi)應(yīng)力不再線性增加， 反而呈現(xiàn)減小的趨勢。 此時逐漸降溫， 當(dāng)殘余應(yīng)力為0 時溫度未恢復(fù)到室溫， 故最終降至室溫時， 其內(nèi)部將存在殘余拉應(yīng)力。

Δε

——蠕變應(yīng)變。

相變的過程實際為分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的過程， 例如奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體， 即面心立方轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方， 原子的體積將會擴(kuò)大， 外在將會表現(xiàn)出材料體積的變化， 造成局部位置膨脹， 這樣就會產(chǎn)生附加的應(yīng)變現(xiàn)象。 相變是在塑性變形轉(zhuǎn)變溫度以下發(fā)生的， 必須要考慮相變的影響。 本研究采用的焊材304 不銹鋼屬于低碳鋼， 由于在較高溫度奧氏體 （A） 向珠光體 （P） 發(fā)生相變，相變溫度超過600 ℃， 高于塑性轉(zhuǎn)變溫度， 這種狀態(tài)下， 材料屈服應(yīng)力很低， 塑性很好。 由于相變造成的殘余應(yīng)力變化很小， 因此， 在熱-彈塑性分析中可忽略相變的影響。

本研究圓管環(huán)縫焊接模擬采用的物理模型尺寸 （長度×直徑×壁厚） 為40 mm×20 mm×3 mm，使用二維軸對稱模型， 焊縫截面輪廓如圖1 所示，焊縫金屬填充采用生死單元法加載等密度熱源。

4)建議凱斯4000甘蔗聯(lián)合收獲機(jī)應(yīng)增加機(jī)體質(zhì)量和配平，以加強(qiáng)機(jī)器的穩(wěn)定性；調(diào)節(jié)切段刀速度或位置，使甘蔗段更長，減少刀口損失；增加多一組扶倒器或分行切割器，以幫助倒伏甘蔗扶起。

(3) 大雙邊供電模式下4列AW0車同時起動電流上升率(0.36 A/ms)未達(dá)到電流增量保護(hù)的整定值(25 A/ms)。

2 焊后熱處理對消除殘余應(yīng)力的影響

依據(jù)二維軸對稱模型創(chuàng)建焊接溫度場、 應(yīng)力場求解模型。 在保證計算精度的同時提高計算效率， 網(wǎng)格劃分將體現(xiàn)出漸變的性質(zhì)， 焊縫中心及熱影響區(qū)網(wǎng)格較密， 靠近熱影響區(qū)的網(wǎng)格給定一個過渡的效果， 而遠(yuǎn)離焊縫中心的網(wǎng)格較疏。 熱源模型未使用子程序加載的方式， 而是在焊縫區(qū)域加載略高于熔點的溫度， 焊縫區(qū)域溫度設(shè)置為1 500 ℃， 除焊縫區(qū)域以外設(shè)置為室溫20 ℃。 在焊接過程中， 模擬的焊縫金屬填充過程通過焊縫生死單元體現(xiàn)出來。 選用模型采用完全耦合的熱應(yīng)力分析， 單元模型選擇C3D8RT， 完全耦合意為應(yīng)力場與溫度場相互影響。 該模型下只需要一個分析任務(wù)， 因為溫度與應(yīng)力相互依賴， 因此兩者同時進(jìn)行求解， 結(jié)果可以分別獲取溫度場和應(yīng)力場。 本研究是在焊接模擬完成之后， 將殘余應(yīng)力的out data base 文件中的數(shù)值信息作為焊后熱處理的初始條件， 并進(jìn)行焊后熱處理模擬的求解計算。

2.1 焊接殘余應(yīng)力分析

Δε

——相變應(yīng)變；

2.2 焊后熱處理機(jī)理分析

模擬的焊接過程完成之后， 將包含殘余應(yīng)力的out data base 文件作為焊后熱處理的初始狀態(tài)條件。 在加載熱源模塊， 假設(shè)整體構(gòu)件PWHT 溫度變化是均勻的。 在實際工程領(lǐng)域中，熱處理溫度過高， 既加大了施工難度， 還可能使得材料的性能變差。 所以， 在考慮是否進(jìn)行焊后熱處理時， 應(yīng)將熱處理的有利和不利兩個方面綜合比較。 從結(jié)構(gòu)性能上來看， 有使性能提高的一面， 也有使性能降低的一面， 焊后熱處理對熔敷金屬和焊接熱影響區(qū)的韌性提高不利， 有時在焊接熱影響區(qū)的晶粒粗化范圍內(nèi)還可能發(fā)生晶間開裂。 應(yīng)在綜合考慮兩方面的基礎(chǔ)工作上做出合理的判斷。 陳萬華

發(fā)現(xiàn)304L不銹鋼焊接接頭殘余應(yīng)力去除溫度為570 ℃較為適宜。 蠕變激活溫度是通過蠕變試驗獲取的，而且焊接接頭的各個位置的蠕變不一樣。 方便計算， 模擬試驗過程忽略位置差異性， 采取統(tǒng)一的蠕變激活溫度。

(4)綜合考慮投資收益、相鄰空冷島凝汽器的投資、復(fù)雜性、運行調(diào)節(jié)難度和閥門的可靠性、嚴(yán)密性要求，空冷凝汽器散熱面積增加16.7%或33.3%較為合理，即擴(kuò)大利用臨機(jī)空冷島的1排或2排空冷散熱器組最優(yōu)。

蠕變和應(yīng)力松弛是金屬材料在不同條件下表現(xiàn)出的兩種性質(zhì)。 在恒定應(yīng)力作用下金屬材料發(fā)生緩慢而又連續(xù)的一種塑性變形現(xiàn)象稱之為蠕變， 同時金屬材料在力的作用方向上應(yīng)力自發(fā)降低同時形變保持不變的現(xiàn)象稱之為應(yīng)力松弛。 應(yīng)力松弛本質(zhì)原因， 是溫度升高且達(dá)到該材料熔點的四分之一到三分之一時， 材料在該溫度下發(fā)生塑性變形滑移所需要的臨界切應(yīng)力減小， 那么材料在該條件不再支持此前狀態(tài)下的殘余應(yīng)力， 通過塑性應(yīng)變代替原來的彈性應(yīng)變來達(dá)到結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定存在的目的， 應(yīng)力則會降低到該溫度下的屈服強(qiáng)度。

2.3 焊后熱處理模擬過程

ABAQUS 整體爐內(nèi)PWHT （焊后熱處理態(tài)） 模擬流程為： 復(fù)制之前焊接完成之后的模型， 將焊接完成之后的殘余應(yīng)力分布作為焊后熱處理的初始條件。

在屬性模塊添加蠕變參數(shù)， 通過激活和關(guān)閉蠕變機(jī)制對比蠕變現(xiàn)象對模擬結(jié)果的影響。 本研究模擬計算考慮高溫蠕變機(jī)制， 蠕變激活溫度為550 ℃， 采用蠕變本構(gòu)方程經(jīng)典公式來描述時效蠕變行為

， 并結(jié)合Norton 公式

來描述。 式（3）、式（4） 能較好地反映第一階段（蠕變速率Δε/Δt隨時間而呈下降趨勢）、 第二階段（蠕變速率不變）的蠕變行為。

通過焊后熱處理消除殘余應(yīng)力有兩個機(jī)理，一是加熱和冷卻過程中產(chǎn)生附加的塑性變形； 二是高溫狀態(tài)下， 蠕變可消除部分殘余應(yīng)力， 即原子在殘余應(yīng)力作用下， 在受力方向存在運動趨勢， 如果溫度較低則其運動能力有限甚至很差，高溫狀態(tài)時原子的運動能力增強(qiáng)， 原子將會沿著其所受的殘余應(yīng)力方向繼續(xù)移動， 這樣將釋放部分殘余應(yīng)力。 嚴(yán)格來說， 任何溫度下金屬材料都可能產(chǎn)生蠕變。 在高溫狀態(tài)下， 蠕變對構(gòu)件產(chǎn)生的影響十分顯著。

于是，我父親干脆繼續(xù)昏昏睡去，還打起了呼嚕。第二年燒的第一窯磚瓦更慘，連次品都沒有，全是廢品。李打油又跑到我家來回憶豬牯了。這次他透露了好多細(xì)節(jié)。比方說，每次趕豬牯到達(dá)目的地，我父親要先考察豬圈干凈與否，尤其是否有障礙物，以防止它們在劇烈活動時不慎摔傷，萬一出了事故就得不償失啦。還有，不能用涼水沖洗種豬，事前事后要允許人家充分休息，不能急功近利，等等。

根據(jù)熱處理的蠕變激活溫度和升溫時間、保溫時間、 冷卻時間建立一條熱處理溫度循環(huán)曲線， 如圖4 所示， 從圖4 可以看出， 升降溫速率為580 ℃/h， 熱處理溫度為600 ℃， 保溫時間為8 h。 本次熱處理采用去應(yīng)力退火工藝，加熱溫度相對較低， 在退火過程中無組織轉(zhuǎn)變， 目的在于消除零件中的殘余應(yīng)力， 穩(wěn)定工件尺寸及形狀。

3 焊后熱處理模擬結(jié)果與分析

3.1 熱處理前后焊接接頭殘余應(yīng)力

Δε

——熱應(yīng)變；

3.2 熱處理前后不同路徑焊接接頭殘余應(yīng)力

為了研究焊接接頭不同表面殘余應(yīng)力分布，分別選中了焊縫及熱影響區(qū)的上表面點和下表面的點的兩條路徑， 如圖7 所示， 記為路徑1 和路徑2。

ABAQUS 數(shù)值模擬軟件在焊接領(lǐng)域應(yīng)用廣泛， 用于獲取焊接過程中的溫度場、 應(yīng)力場， 包括焊接完成之后， 焊縫疲勞試驗、 焊接接頭裂紋擴(kuò)展研究， 還可以模擬焊接過程中的組織演變、相變等。

3.3 塑性應(yīng)變和高溫蠕變

圖9 所示為PWHT 后管道環(huán)縫焊接接頭的等效塑性應(yīng)變和等效蠕變應(yīng)變云圖。 由圖9 可分析焊接殘余應(yīng)力的消除機(jī)理， 即PWHT 過程的塑性應(yīng)變和高溫蠕變是殘余應(yīng)力消除的力學(xué)機(jī)制， 從數(shù)值上看， 塑性應(yīng)變發(fā)揮主要作用， 其應(yīng)力消除機(jī)制和材料的本構(gòu)方程相關(guān)。

材料的本構(gòu)方程是用來描述特定連續(xù)介質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)和運動學(xué)量之間相互關(guān)系的方程。 在有限元數(shù)值模擬的過程之中， 為了精確描述材料的成形過程和焊接溫度場的變化， 需要明確焊接過程中各類物理參數(shù)之間的關(guān)系， 比如溫度、 應(yīng)變速率以及流動應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系。 Johnson G R 和Cook WH 在1983 年提出的Johnson-Cook 本構(gòu)方程

， 可以有效解決韌性材料在高溫工程和高應(yīng)變領(lǐng)域的諸多問題。 該方程優(yōu)點突出， 不僅簡單易懂通用性強(qiáng)， 而且極易用于試驗數(shù)據(jù)的擬合。

1956年，阿爾貝·加繆發(fā)表了中篇小說《墮落》，還出版了包括6個短篇小說的集子《流放與王國》，這個時候，他的思想多少已經(jīng)開始轉(zhuǎn)向基督教倫理的探討，對過于世俗化的道德和存在的命題，已經(jīng)不那么感興趣了。中篇小說《墮落》的發(fā)表，實際上是對薩特為代表的存在主義知識分子的一種質(zhì)疑。后來，他們之間爆發(fā)了激烈的論戰(zhàn)，兩個人的關(guān)系因此而決裂。最終，我發(fā)現(xiàn)，時間站在了阿爾貝·加繆這一邊，歷史證明了他更正確，薩特在當(dāng)時似乎正確，但是后來則并不正確了。

J-C 本構(gòu)方程是一種經(jīng)驗型本構(gòu)方程， 在數(shù)學(xué)上表現(xiàn)為材料的等效塑性應(yīng)變、 等效塑性應(yīng)變率和溫度的函數(shù)

， 表達(dá)式為

從圖9 可以明顯看出， 本次熱處理模擬試驗中等效塑性應(yīng)變值為2.126e-02， 而等效蠕變值為1.342e-03， 兩者存在一個數(shù)量級的差異， 因此在本次去應(yīng)力退火模擬試驗中， 等效塑性應(yīng)變是應(yīng)力消除的主要原因。

鋼絲繩走線分析:基本單元四邊形N1N2F2F1、M1M2E2E1兩組角線變化基本相同，且單調(diào)遞增，可以依據(jù)曲線變化設(shè)計鋼絲繩走向。

3.4 熱處理前后位移云圖結(jié)果分析

4 結(jié) 論

（1） 本研究以ABAQUS 軟件為基礎(chǔ)， 在考慮蠕變效應(yīng)的基礎(chǔ)上搭建了熱力耦合的計算模型， 通過創(chuàng)建焊縫生死單元， “殺死” 和 “激活” 焊縫填充金屬， 對TIG 焊接方法進(jìn)行了數(shù)值模擬， 并以焊接完成之后的殘余應(yīng)力作為初始狀態(tài)， 進(jìn)行了焊后熱處理模擬。

（2） 管道環(huán)縫焊接接頭厚度方向的下表面應(yīng)力消除的效果非常顯著， 上表面為平衡下表面應(yīng)力呈現(xiàn)小幅增大。 管道環(huán)縫焊接接頭環(huán)向上、 下表面應(yīng)力值雖略有增長， 但是應(yīng)力集中位置也逐漸減少， 應(yīng)力分布趨于平緩。 管道環(huán)縫焊接接頭縱向上表面殘余應(yīng)力數(shù)值上略有降低， 但是壓應(yīng)力變?yōu)榱死瓚?yīng)力， 下表面焊接接頭的殘余應(yīng)力從拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力， 而且應(yīng)力值降低， 同時應(yīng)力集中位置減少， 應(yīng)力分布同樣趨于平緩。

（3） PWHT 過程的塑性應(yīng)變和高溫蠕變是焊接接頭殘余應(yīng)力消除的力學(xué)機(jī)制， 其中塑性應(yīng)變發(fā)揮主要作用。

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