预热及焊后热处理对T91钢焊接残余应力的影响_李松明

预热及焊后热处理对 Ｔ９１钢 焊接残余应力的影响
李 松 明ａ， 杨 晓 翔ｂ
（福州大学 ａ．石油化工学院；ｂ．机械工程及自动化学院，福建 福州 ３５０１１６）
摘要：Ｔ９１钢属于马氏体不锈钢，其焊接性能较差，焊 接 接 头 易 脆 化，焊 接 时 容 易 产 生 冷 裂 纹 和 再 热裂纹。基于 ＡＮＳＹＳ软件平台，应用移动高斯热源结合单元生死技术方法，对超临界锅炉用小管 径 Ｔ９１钢的焊接残余应力进行数值 模 拟，分 析 了 焊 后 残 余 应 力 的 分 布 规 律，讨 论 了 焊 前 预 热 温 度 以及焊后热处理工艺对焊接残余应力的影响。模拟结果表明，焊后残余应力集中在 Ｔ９１ 钢 焊缝区 与热影响区，最大等效应力值超过了材料屈服应力值；提高焊前预热温度可以降低 Ｍｉｓｅｓ等效残余 应力值，但应力值仍然较大；进行焊后热处理可以明显改善焊 接 残 余 应 力 的 分 布，最 大 应 力 数 值 下 降 ６０％ ～７０％ 。 关 键 词 ：Ｔ９１ 钢 ； 残 余 应 力 ； 预 热 温 度 ； 焊 后 热 处 理 ； 数 值 模 拟 中图分类号：ＴＱ０５０．６；ＴＧ４４４ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－７４６６．２０１６．０６．００２
Ｔ９１ 钢 管 焊 缝 附 近 部 位 １／２ 有 限 元 模 型 及 分 析 所取路径见图 １。 轴 向 路 径 Ｌ１ ～Ｌ４ 分 别 表 示 起 焊 处截面（０°）外表面、起 焊 处 截 面 内 表 面、１８０°截 面 内 表 面 和 １８０°截 面 外 表 面 的 路 径 。
近年 来，许 多 学 者 对 不 同 材 料 的 焊 接 残 余 应 力
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｔ９１ｓｔｅｅｌ；ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ；ｐｒｅｈｅａｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｐｏｓｔ－ｗｅｌｄ ｈｅａｔ ｔｒｅａｍｅｎｔ；ｎｕｍｅｒｉ－
ｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
收 稿 日 期 ：２０１６－０５－２９ 基 金 项 目 ： 国 家 自 然 科 学 基 金 （Ｎｏ．１１３７２０７４） 作 者 简 介 ： 李 松 明 （１９９１－），男 ，福 建 安 溪 人 ，在 读 硕 士 研 究 生 ，研 究 方 向 为 焊 接 残 余 应 力 。
５１
１ ５００ ５９．０ ８２０ １６．３
３０ ０．３１
１０
１．２ 分 析 方 法
采用间接耦合法模拟焊接残余应力的形成过 程 ，即 先 进 行 焊 接 温 度 场 的 模 拟 ，然 后 进 行 应 力 场 的 分 析 ，分 析 应 力 场 时 导 入 各 节 点 的 温 度 ，从 而 实 现 热 力结构耦合。
１ 小管径 Ｔ９１钢有限元模型与边界条件
图 １ Ｔ９１ 钢 管 焊 缝 附 近 部 位 １／２ 有 限 元 模 型 及路径示图
假设焊缝填充材料与母材材料的力学性能相 同，并视为各向 同 性。 在 焊 接 过 程 及 冷 却 过 程 中 模 型温度变化范围梯 度 大，因 此 需 要 输 入 随 温 度 变 化 的材料性能 参 数。 不 同 温 度 下 Ｔ９１ 钢 性 能 参 数 见
２００ ２８．０ ４９０ １１．３ ２０７ ０．２９ ４６５
温 度／℃
４００
６００
２９．１
２９．０
５３０
８００
１１．９
１２．４
１９０
１６８
０．３０
０．３０
４３０
３４２
７５０ ２８．５ １ ０２０ １２．７ １５２ ０．３１ １９４
１ ０００ ２８．１ ８２０ １４．２ １０８ ０．３０
综合 考 虑 工 件 表 面 与 环 境 的 对 流 及 辐 射，在 表 面 热 效 应 单 元 上 施 加 复 合 表 面 传 热 系 数 ｈ［１３］：
｛０．０６６ ８ｔ１ （０ ℃≤ｔ１≤５００ ℃）
ｈ＝ ０．２３１ｔ１－８２．１ （ｔ１≥５００ ℃）
在焊 后 热 处 理 的 温 度 场 模 拟 过 程 中，通 过 控 制 表面传热系数及环 境 温 度 实 现 升 温、降 温 速 率 的 近 线性以及保温过程。
第４５卷 第６期 石 油 化 工 设 备 Ｖｏｌ．４５ Ｎｏ．６ ２０１６年１１月 ＰＥＴＲＯ－ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ Ｎｏｖ．２０１６
文 章 编 号 ：１０００－７４６６（２０１６）０６－０００７－０６
径 Ｔ９１ 钢 管 道 环 焊 缝 进 行 分 析，开 单 面 Ｖ 型 坡 口， 无预留钝边。对接焊接 形 式，对 合 间 隙 ２ ｍｍ，焊 道 共有３层。虽然模 型 具 有 对 称 性，但 由 于 焊 接 过 程 模拟中的热源移动 不 具 对 称 性，因 此 采 用 三 维 整 体 模型分析。整体有限 元 模 型 单 元 数 为 ２７ ２００，节 点 数 为 ３７ ３００。
Ｆｕｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｚｈｏｕ ３５０１１６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔ９１ｓｔｅｅｌ ｉｓ ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ，ｔｈｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｔ９１ｓｔｅｅｌ ｉｓ ｐｏｏｒ，
ｅａｓｙ ｔｏ ｐｒｏｄｕｃｅ ｃｏｌｄ ｃｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ ｒｅｈｅａｔ ｃｒａｃｋｉｎｇ ｗｈｅｎ ｗｅｌｄｉｎｇ，ａｎｄ ｔｈｅ ｗｅｌｄｅｄ ｊｏｉｎｔｓ ｉｓ ｅａｓｙ ｔｏ ｂｒｉｔｔｌｅ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｇａｕｓｓｉａｎ ｈｅａｔ ｓｏｕｒｃｅ ｂｉｎｄｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ ｂｉｒｔｈ ａｎｄ ｄｅａｔｈ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕ－ ｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ ｂｏｉｌｅｒ ｓｔｅｅｌ Ｔ９１ｗｅｌｄｉｎｇ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＡＮＳＹＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ，ａｎａｌｙ－ ｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ ｐｒｅｈｅａｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｓｔ－ｗｅｌｄ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐｒｅｓｓ ｆｏｒ ｗｅｌｄｉｎｇ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｗｅｌｄ ｚｏｎｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｈｅａｔ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｚｏｎｅ，ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｓｔｒｅｓｓ ｅｘｃｅｅｄｓ ｔｈｅ ｙｉｅｌｄ ｓｔｒｅｓｓ ｖａｌｕｅ，ａｎｄ ｐｒｅｈｅａｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ Ｍｉｓｅｓ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ，ｂｕｔ ｓｔｒｅｓｓ ｉｓ ｓｔｉｌｌ ｌａｒｇｅ，ａｎｄ ｐｏｓｔ－ｗｅｌｄ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔ－ ｍｅｎｔ ｃａｎ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ，ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｓｔｒｅｓｓ ｖａｌｕｅ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ６０％ ｔｏ ７０％．
Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｐｒｅｈｅａｔ ａｎｄ Ｐｏｓｔ Ｗｅｌｄ Ｈｅａｔ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｎ Ｔ９１Ｓｔｅｅｌ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｒｅｓｉｄｕａｌ Ｓｔｒｅｓｓ
ＬＩ Ｓｏｎｇ－ｍｉｎｇａ，ＹＡＮＧ Ｘｉａｏ－ｘｉａｎｇｂ （ａ．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｂ．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，
利用 ＳＯＬＩＤ１８５ 单 元 模 拟 焊 接 过 程 的 应 力 场， 读取由各个时刻温度场分析得到的节点温度到结构 单元的节点上，在模 型 端 面 施 加 防 止 刚 性 位 移 的 边 界条件，对其中 一 端 面 约 束 轴 向 位 移。 采 用 双 线 性 等向强化的 Ｍｉｓｅｓ屈服准则得到焊接残余应力。
１．１ 有 限 元 模 型 及 参 数 选 择
表 １，超 过 １ ５００ ℃ 时 Ｔ９１ 的 性 能 参 数 视 为 与
采用规格为 ９２ｍｍ×６ｍｍ×３００ｍｍ 的小管 １ ５００ ℃时的相同 。 ［１０，１１］
表１ 不同温度下 Ｔ９１钢性能参数
进行了大量的 分 析 研 究。 文 献 ［６］对 ＳＵＳ３０４ 不 锈
钢管进行了多 道 焊 的 数 值 模 拟，得 到 了 ＳＵＳ３０４ 不
锈钢残余应力的分 布 情 况。 文 献 ［７］从 实 验 和 模 拟
两方面对比分析了奥氏体不锈钢的焊接残余应力，
文献 ［８］研 究 了 Ｔ 型 焊 接 接 头 中 的 焊 接 残 余 应 力，
·８·
石 油 化 工 设 备 ２０１６年 第４５卷
基于我国经济 的 快 速 发 展，对 用 电 的 需 求 不 断 增加，火力发电正朝 着 大 容 量、高 参 数、超 （超）临 界 的趋势 发 展。Ｔ９１ 钢 作 为 一 种 改 良 型 马 氏 体 耐 热 钢 ，具 有 良 好 的 高 温 性 能 和 抗 氧 化 性 能 ，被 广 泛 应 用 于各种大型电站锅 炉 及 燃 气 轮 机 锅 炉 的 再 热 器、过 热器等承受高温、高压（蒸汽温度５８０～６５０ ℃，蒸汽 压力１０ ＭＰａ以上）的 电 力 机 组 部 件 。 ［１－４］ 由 于 Ｔ９１ 钢属于马氏 体 钢，焊 接 性 能 较 差，焊 接 接 头 容 易 脆 化，韧性低，焊 接 时 会 产 生 冷 裂 纹 和 再 热 裂 纹 的 倾 向。因此，控制 Ｔ９１钢的焊 接 工 艺 以 保 证 焊 接 质 量 显得尤为重要 。 ［５］
用对手工焊、钨极氩 弧 焊 等 模 拟 效 果 较 为 理 想 的 移 动高斯热源 ： ［１２］
ｑ（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）＝３πηＲＵ２Ｉ×
｛ ｝ ｅｘｐ
－３