应变强化对304不锈钢管焊接残余应力的影响

  浙江至德钢业有限公司技术人员发现焊接残余应力是引起304不锈钢管失效的主要原因之一。采用有限元方法，模拟304不锈钢管焊接试板的焊后残余应力分布，表现为焊后残余应力值较大，超过了材料屈服极限。纵向残余应力为拉应力，沿焊缝方向表现为中间大两端小，横向残余应力两端表现为较大的压应力，中间部分为拉应力。通过应变强化，可以显著改善焊缝的残余应力大小和均匀性，除焊缝中心部位尚存少许残余应力外，其余部分的残余应力基本消除。

 304不锈钢管被广泛应用于承装腐蚀性介质的石油化工行业中。由于304不锈钢管具有较低的传热系数和较高的热膨胀系数，在容器焊接过程中会产生大量的收缩、变形和残余应力。通常对于在腐蚀性介质中工作的焊接结构必须进行焊后热处理，以消除因焊接带来的残余应力，但是对304不锈钢管焊接结构进行热处理具有一定的危险性，因此在我国GB150规范中建议一般不对304不锈钢管进行整体的焊后固溶热处理。

 由于焊接残余应力的存在，工作在腐蚀性介质中的304不锈钢管易发生应力腐蚀开裂，大大降低容器的使用寿命，因此必须考虑采用其他方式来消除容器的焊接残余应力。目前，将应变强化技术应用于304不锈钢管是我国大力开展和推广的一种绿色制造技术，该技术通过对304不锈钢管施加一定的压力，使其发生不超过10%的塑性变形量，从而提高材料的屈服极限，使容器壁厚减薄，重量大幅减轻，从而实现压力容器的轻量化设计。在应变强化过程中，由于容器的整体发生塑性变形，则相应的焊缝也得到强化，这对改善甚至消除焊接残余应力是有效的。

 至德钢业针对上述问题，通过数值模拟，首先探明304不锈钢管的焊接残余应力分布和大小，并研究应变强化对改善焊接残余应力的作用。

一、焊接参数

选用牌号为S30408的国产奥氏体不锈钢管作为焊接母材，其化学成分如表所示。采用多道次手工电弧焊，焊接电流90A，电弧电压24~28 V，焊接速度4 mm/s，电弧热效率取0.77，焊缝熔敷金属的主要成分如表2所示。母材和焊缝的屈服强度R p0.2分别为295 MPa和340 MPa。

二、焊接试板有限元模型

 采用ANSYS进行数值模拟，焊接温度场和应力场的模拟单元分别选择Solid 70和Solid 45，其余热物理参数和力学性能参数参考文献]选取。为简化计算，忽略焊缝与母材屈服极限的差异。焊接的热源模型选用双椭球高斯热源，该模型考虑了电弧在熔深方向的加热作用，属于三维热源模型，能更真实地体现焊接的热过程，提高模拟精度。

 考虑到焊接试板的对称性，取其一半作为分析模型，相应的尺寸为120×60×3 mm。在焊接温度场模拟时，取对称面为绝热边界条件，其他表面为对流换热面，并将辐射系数叠加到对流系数中加以考虑。焊接的初始温度为20˚C。在焊接应力场模拟时，为防止计算中产生刚性位移，同时又不阻碍焊接过程中中应力的自由释放和变形，因而在X=0(以A点所在位置为坐标原点)处施加对称约束，对点B限制Y和Y方向，对点C限制Z方向，如图所示。

三、焊接工艺试板的残余应力

 图是沿路径AD的纵向和横向残余应力分布曲线。通常习惯将沿焊缝方向的应力称作纵向应力，垂直于焊缝方向的应力称作横向应力。从图中可以看出，纵向残余应力整体表现为拉应力，在路径AD中间(即焊接试板中部)的残余应力较大，且形成了一个相对稳定的区域，其最大值为334 MPa；而在路径AD两端应力数值较小。纵向残余应力产生的原因是在焊接冷却过程中，焊缝纵向收缩受约束，其中中间部分的约束大于两端，因此整体数值上表现为中间大两端小。

 横向残余应力的总体分布规律与纵向不同，在路径AD两端均表现为较大的残余压应力，最大值为−324 MPa，中间部位表现为残余拉应力。可以看出，304不锈钢盘管焊接后产生的残余应力非常大，甚至超过了材料的屈服极限。其余边缘无拘束试板而言，横向残余应力产生的原因是由于焊缝的纵向收缩。图是沿路径EF的纵向和横向残余应力分布曲线，纵向残余应力在路径EF的约1/3处表现为残余拉应力，应力值随着离开E点距离的增加而减小；在路径EF的剩余部分均表现为压应力，且数值随着距离的增加呈现出逐渐增大的趋势；横向残余应力在整个路径上均表现为拉应力，靠近焊缝处的应力值较大，随着离开焊缝距离的增加而逐渐减小。

四、应变强化对焊接残余应力的影响

 在焊接应力场模拟的基础上，采用ANSYS提供的单点重启动分析方法进行焊后应变强化过程的模拟。在设置边界条件及载荷时，对X=0、Y=0和Z=0的三个面进行位移约束，在X=60的面施加不同的应变强化压力值进行加载及卸载进行求解，得到不同应变强化压力作用下的焊接残余应力分布。根据前文分析可知，试板的纵向残余应力比横向残余应力大的多，因而下文重点讨论路径EF的纵向残余应力。

 在不同的应变强化压力σk作用下，304不锈钢管试板的纵向残余应力分布如图所示。当施加的强化压力σk超过材料屈服极限10MPa时，焊缝的纵向残余应力分布有明显改善，最大残余拉应力值从334MPa下降至147 MPa，最大残余压应力值从−216 MPa下降至−108 MPa；当施加的强化压力σk超过材料屈服极限20 MPa时，最大残余拉应力值下降至105 MPa，最大残余压应力值下降至−55 MPa。当σk继续增加至超过屈服极限30和40 MPa时，纵向残余应力的分布基本保持稳定，除靠近焊缝处尚有少许残余应力(最大拉应力约为70 MPa，最大压应力约为−15 MPa)外，其他部位的残余应力已基本消除，且焊接试板的整体残余应力分布较均匀。现行的应变强化标准规定，对304不锈钢管按照应力控制模式实施应变强化工艺时，应变强化压力值一般不超过410 MPa，基于大量的试验表明，S30408不锈钢盘管的初始屈服强度约为245~320MPa，因而在应变强化压力作用下可以保证充分消除304不锈钢管的焊接残余应力。

五、结论

 1. 通过有限元计算，得到了S30408奥氏体不锈钢管试板的焊接焊接残余应力分布曲线，其中纵向残余应力整体为拉应力，沿焊缝方向表现为中间大两端小。横向残余应力两端表现为较大的压应力，中间部分为拉应力。横向和纵向残余应力最大值均超过了材料屈服极限。

 2. 模拟了在应变强化压力作用下，304不锈钢管试板的焊接残余应力分布情况。应变强化对焊缝残余应力的大小和均匀性均有明显改善作用，当强化压力超过材料屈服极限30~40MPa时，除焊缝中心部位尚存少许残余应力外，其余部分的残余应力基本消除。