用局部逐層去除法測量厚壁圓筒的內部殘余應力

譚龍,張建勛,張從平

(1.西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室, 710049, 西安;2.東方汽輪機有限公司制造技術處, 618000, 四川德陽)

用局部逐層去除法測量厚壁圓筒的內部殘余應力

譚龍1,張建勛1,張從平2

(1.西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室, 710049, 西安;2.東方汽輪機有限公司制造技術處, 618000, 四川德陽)

采用局部逐層去除法對厚壁圓筒熱處理后的殘余應力進行測量,擬合得到了圓筒軸向和環(huán)向殘余應力的分布規(guī)律。結果表明,局部逐層去除法能有效地得到厚壁圓筒熱處理后內部殘余應力的大小及分布;厚壁圓筒熱處理后的軸向殘余應力在焊縫區(qū)域為壓應力,內、外表面距離焊縫較遠的區(qū)域為拉應力,且拉應力的最高值出現(xiàn)在厚壁圓筒接頭的外表面熱影響區(qū)附近,內部為壓應力;厚壁圓筒熱處理后環(huán)向殘余應力在焊縫區(qū)域為拉應力,峰值出現(xiàn)在圓筒內部靠近內表面一側,焊縫周圍的母材區(qū)域為壓應力。經過焊后熱處理,厚壁圓筒的殘余應力總體水平相對較低,環(huán)向殘余應力和軸向殘余應力均降至100MPa以下。

厚壁圓筒;局部去除法;內部殘余應力

隨著工業(yè)技術的發(fā)展,大厚壁焊接結構的應用越來越多,其內部殘余應力也越來越受到學者的關注。盡管殘余應力的測量方法很多,但是大多數(shù)只能測量工件表面或者淺層的殘余應力。常見的測量焊接件內部殘余應力的方法有:中子衍射法;裂紋柔度法;逐層剝削法;環(huán)芯法;階梯孔法;逐層鉆孔法;深孔法;輪廓法;逐層去除盲孔法;等。中子衍射法能測量深達幾十毫米的內部應力,但其費用太過昂貴[1]。裂紋柔度法、逐層剝削法、環(huán)芯法等方法只能測得較大區(qū)域內應力的平均值[2-3],不太適合測量變化比較劇烈的內部殘余應力。階梯孔法只能測量一個點處殘余應力沿深度的變化[4],不能測量一個平面區(qū)域內殘余應力的梯度變化。逐層鉆孔法每次測量時只能鉆很淺的一層[5],不能很好地反映內部應力。深孔法可以測量較厚的焊接構件的內部應力,并且破壞小,但該方法需要加工一個直徑較大(近20mm)的圓槽[6],在測試窄間隙焊接接頭時可能反映不出應力梯度分布。輪廓法能夠通過2次切割和疊加方法獲得2個方向的應力,若結合XRD方法可以通過一次切割獲得切割面上多個方向的應力,但該方法屬于全破壞測試,且測試工件尺寸受切割設備的限制[7-9]。局部逐層去除法[10]是一種簡單方便、適合焊接件內部殘余應力測量的方法,局部去除材料能最大限度地保證原始殘余應力的完整性;可以進行多點測量,以便分析各測量位置的應力分布狀態(tài)。劉川等人采用局部逐層去除法對18 mm厚低碳鋼板6道對接[11]和50mm厚鈦合金板電子束焊[12]的內部殘余應力進行了測量,并采用數(shù)值模擬的方法對整個測量過程進行了研究,模擬結果與測量結果吻合較好,證明該方法能有效地得到厚板內部殘余應力的大小及分布,并且規(guī)律明顯,數(shù)據準確,可為結構設計提供理論依據。目前關于厚壁圓筒的測量,主要是在圓筒表面上對焊接接頭區(qū)域進行的[13-14],而關于厚壁圓筒內部殘余應力測量研究的文獻很少。厚壁圓筒窄間隙焊接件的殘余應力受到工件外徑、壁厚、材質、焊接工藝、焊接層數(shù)及順序等眾多因素的影響,因此有必要對厚壁圓筒結構的內部殘余應力開展研究。

本文采用局部逐層去除法對厚壁圓筒熱處理后的殘余應力進行了測量,并分析了厚壁圓筒表面及內部的應力分布規(guī)律。

1 研究對象與方法

1.1 局部逐層去除法

局部逐層去除法是用于測量厚壁工件內部殘余應力的一種新方法,結合了盲孔法和逐層剝削法的優(yōu)點[9]。該方法利用機械加工的方式在工件上、下表面局部區(qū)域去除一定厚度的材料,然后在新形成的表面測量該深度的殘余應力。盲孔法本身會存在測量誤差,故鉆削前采用顯微鏡對正,鉆削速度要慢,以減少人為因素引起的誤差,在測量前需要對相同材料的試板進行去應力退火并鉆孔測量鉆削應變,在處理數(shù)據時要考慮鉆削應變。局部去除材料會導致應力釋放和重新分布,引起原始殘余應力變化,所以測量得到的應力結果是重新分布的應 力[11-12]。因此,在材料去除過程中,應保證工件盡可能少地發(fā)生變形,以降低應力重分布導致的誤差。通過雙面對稱銑削,保證應力釋放為對稱分布,可以有效減小角變形;在銑削過程中,每一個測量層分為多個加工層進行銑削,保證每一個加工層的加工量很小,銑削完一層之后翻面加工另一面,這樣可以保證在銑削過程中的變形量很小。機械加工會導致加工表面形成一層加工應力區(qū),因此在進行材料去除的過程中,需要保證每一層的銑削深度不能太大。另一方面,每一層的材料去除加工完成之后,需要用砂紙進行打磨,以保證將這一加工應力層去除掉,盡量降低其引入的誤差。進行內部應力測量時,通過局部不斷去除材料來測量該區(qū)域不同深度的內部殘余應力。這種方法是基于目前已經很成熟的盲孔法發(fā)展而來的,為半破壞殘余應力測量方法,可以進行多點測量和應力變化劇烈的構件的內部殘余應力測量,與其他能夠測量厚壁工件內部殘余應力的方法相比,這種方法操作方便,測量效率高,成本低,具有良好的工程應用前景。

1.2 研究對象與測量過程

研究對象是一個外徑為1 980mm、壁厚為150mm的圓筒結構件,如圖1所示。試驗材料為20Cr2NiMo,其屈服強度為680MPa,焊縫的屈服強度為560MPa。母材和焊縫的化學成分見表1。圓筒環(huán)焊縫采用TIG焊+SAW埋弧焊窄間隙焊接技術,焊道數(shù)量為80余道,焊接工藝參數(shù)見表2,焊后進行600℃×20h去應力熱處理。

為方便內、外表面的銑削加工,先從環(huán)焊縫上截除一部分,如圖2a所示。文獻[15-16]的研究結果表明,焊件切割掉一定尺寸后的剩余殘余應力仍能表征原始應力分布趨勢和特征。在對厚壁圓筒進行切割時,在管壁內、外表面上進行多點應變監(jiān)控,發(fā)現(xiàn)應變較小,表明沿厚度的彎曲應力釋放較小?？紤]鉆削加工引起的應變,在一塊經過長時間去應力退火的厚壁圓筒用鋼上進行鉆孔測量,將測得的應變平均值作為鉆削應變。在計算應力時,需要減除鉆削應變。銑削加工和應力測量交替進行,整個過程如下。

圖1 厚壁圓筒焊接結構件

表1 母材和焊縫的化學成分

表2 焊接工藝參數(shù)

(1)首先測量厚壁圓筒內、外表面的殘余應力。

(2)將厚壁圓筒平穩(wěn)地固定好,在圓筒外表面焊縫處銑削一個軸向長度為150mm、環(huán)向長度為100mm的槽,用直徑為18 mm的銑刀以一定轉速和移動速度進行銑削。為防止銑削過程中產生熱應力,銑削時用冷卻液進行冷卻。銑削時每層分多次銑削,切進深度盡可能小,以降低銑削引起的加工應力。例如:若共銑削5mm,當銑削至4.5mm后,每次銑削深度由0.5mm變?yōu)?.1 mm,以保證在測量時表面附加應力足夠小。

(3)將厚壁圓筒翻轉到內表面一側,并平穩(wěn)固定。按照步驟(2),在內表面銑削一個與外表面尺寸一致的槽。為盡可能減小因應力釋放導致的變形,內、外表面的銑槽位置和深度應保持一致。

(4)對新形成的銑槽底面進行輕輕打磨和清理,以去除加工應力層,并采用盲孔法對內、外表面新形成的銑槽底面進行殘余應力測量。

(5)對內、外表面新形成的銑槽底面的應力測量結束后,重復步驟(2)～(4),在內、外表面銑削出更深一層的銑槽并進行應力測量。

通過局部逐層去除法在距圓筒內、外表面5、10、15、25、35、45mm處依次進行銑削,每層銑削完成后,測量新形成銑槽底面的殘余應力。在厚壁圓筒內部總共銑削和測量殘余應力12次,其銑削順序和深度如圖2b所示。

(a)局部去除區(qū)域示意圖

(b)沿壁厚方向的銑削順序和深度

2 測量結果與討論

2.1 內外表面的殘余應力分布

圖3所示為厚壁圓筒經過熱處理后內、外表面的殘余應力分布。從圖3a可以看出:內表面的軸向應力在焊縫中心處較小,在距離焊縫中心15mm處為峰值拉應力,峰值為62MPa,在遠離焊縫的區(qū)域殘余應力逐漸減小到0;內表面的環(huán)向應力分布呈現(xiàn)雙峰特性,在焊縫附近為拉應力,在焊縫中心處數(shù)值較小,而在熔合線和熱影響區(qū)數(shù)值較大,最大值為42MPa,隨著到焊縫中心的距離增大,環(huán)向殘余應力逐漸降低并變?yōu)閴簯Α?/p>

從圖3b可以看出:外表面的軸向殘余應力在焊縫中心為壓應力,峰值為-80MPa;隨著到焊縫中心的距離增加,壓應力值逐漸減小,在焊接熱影響區(qū)附近轉變?yōu)槔瓚?隨著到焊縫中心的距離進一步增加,應力值逐漸降低到0。外表面焊縫區(qū)域的軸向應力為壓應力,本文測試得到的厚壁圓筒外表面的應力結果與文獻[17]中的P91厚壁管道多層多道焊熱處理后的外表面應力分布相近。外表面的環(huán)向殘余應力值較小,而軸向殘余應力值相對較大,在-80到25MPa之間變化。

(a)內表面

(b)外表面

2.2 內部殘余應力分布

測試圓筒內部焊縫一側的應力,作圖時將數(shù)據相對焊縫中心進行對稱,得到距內表面15、45、105、135mm處銑槽底面上新形成的軸向和環(huán)向殘余應力分布,如圖4所示。

從圖4a中可以看出,軸向殘余應力在深度方向上表現(xiàn)為一個連續(xù)而又逐漸變化的過程。從整體分布來看,除距內表面15mm的位置線外,焊縫區(qū)域距內表面不同深度位置的軸向殘余應力基本上為壓應力,隨著到焊縫中心距離的增加,壓應力值下降,在熔合線附近出現(xiàn)壓應力峰值;隨著到焊縫中心的距離進一步增加,應力迅速增大,并在距焊縫中心20mm處達到應力峰值,之后應力逐漸下降。雖然4條應力分布曲線的趨勢比較一致,但在數(shù)值上卻有所差異。在距內表面15mm處除了熔合線位置為壓應力外,整體應力分布均為拉應力,且拉應力峰值為87 MPa;距內表面135mm處的應力分布從焊縫中心到距焊縫中心20mm范圍均為壓應力,隨著到焊縫中心的距離進一步增加,應力分布變?yōu)槔瓚?距內表面45和105mm處的應力分布均為壓應力。

(a)軸向殘余應力分布

(b)環(huán)向殘余應力分布

在圖4b中,從4條曲線整體分布來看,不同深度的環(huán)向殘余應力分布為:在焊縫區(qū)域為拉應力;隨著到焊縫中心的距離增加,拉應力值下降,在熔合線附近出現(xiàn)最小值,此后在距焊縫中心15mm處出現(xiàn)拉應力峰值;隨著到焊縫中心的距離進一步增加,拉應力迅速轉變?yōu)閴簯?在距焊縫中心32mm附近達到壓應力峰值,隨后應力逐漸減小為0。但是,各個深度的環(huán)向殘余應力分布有所不同:在距焊縫中心和內表面均為15mm的位置應力最大,為100MPa;在距內表面15和105mm的焊縫區(qū)域應力變化較大;在距內表面45和135mm的焊縫區(qū)域應力變化則比較穩(wěn)定,且在距內表面45mm的焊縫區(qū)域拉應力最小。

2.3 整體殘余應力分布

假設在距離焊縫中心較遠的區(qū)域殘余應力值為0。根據構件中殘余應力的連續(xù)性及自平衡性,采用3D科學繪圖軟件Surfer將內、外表面和內部殘余應力的測量結果擬合繪制成應力云圖,如圖5所示。

從圖5上方的軸向應力分布圖中可以看出,厚壁圓筒經熱處理后,焊接接頭橫截面上的軸向殘余應力分布為:圓筒焊縫區(qū)域整體表現(xiàn)為壓應力,焊縫附近的母材區(qū)域為拉應力;拉應力區(qū)域在壁厚方向的寬度為35mm,且拉應力峰值出現(xiàn)在厚壁圓筒接頭的外表面熱影響區(qū)附近,峰值為99 MPa;圓筒的內部應力為壓應力,壓應力的峰值出現(xiàn)在焊縫區(qū)域距內表面40mm處,峰值在-70MPa左右。

從圖5下方的環(huán)向應力分布圖中可以看出,厚壁圓筒經熱處理后,焊接接頭橫截面上環(huán)向殘余應力的分布有如下特征:圓筒焊縫區(qū)域整體表現(xiàn)為拉應力狀態(tài),靠近焊縫的母材區(qū)域為壓應力狀態(tài);焊縫區(qū)域距內、外表面10mm處存在一個較高的拉應力區(qū),最大值為97 MPa;在靠近焊縫的母材區(qū)域,存在一個大范圍的壓應力區(qū),壓應力的峰值位于圓筒內部靠近內表面一側,峰值為-80MPa。

圖5 熱處理后厚壁圓筒的軸向和環(huán)向殘余應力分布

3 結 論

(1)采用局部逐層去除法測量了厚壁圓筒熱處理后殘余應力的整體分布。首先采用盲孔法測量了圓筒內、外表面的殘余應力,然后逐層測量其內部殘余應力。測量完成后,將測量結果進行擬合,以進一步表征厚壁圓筒軸向和環(huán)向殘余應力的分布規(guī)律。

(2)厚壁圓筒經熱處理后,其軸向殘余應力在焊縫區(qū)域整體表現(xiàn)為壓應力,內、外表面焊縫附近的母材區(qū)域為拉應力,且拉應力的最高值出現(xiàn)在厚壁圓筒接頭的外表面熱影響區(qū)附近,而內部整體為壓應力。熱處理后環(huán)向殘余應力在焊縫區(qū)域為拉應力,峰值出現(xiàn)在圓筒內部靠近內表面一側,焊縫周圍的母材區(qū)域為壓應力。

(3)經過焊后熱處理,厚壁圓筒的殘余應力總體水平相對較低,環(huán)向和軸向殘余應力均降至100MPa以下。

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(編輯 葛趙青)

MeasurementofInternalResidualStressofThick-WalledPipeUsingLocalMaterialRemovalMethod

TAN Long1,ZHANG Jianxun1,ZHANG Congping2

(1. State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. Department of Manufacture and Technology, Dongfang Steam Turbine Company, Limited, Deyang, Sichuan 618000, China)

The local material removal blind hole method was used to measure the internal residual stress of a thick-walled pipe after post weld heat treatment (PWHT), then the distributions of axial and circumferential residual stresses in the pipe after PWHT were obtained. The results indicate that the magnitude and distribution of the internal residual stress in the thick-walled pipe after PWHT can be obtained effectively by this method; the axial stress tends to be compressive in the weld region and tensile on the inner and outer surfaces far from the weld seam; the peak value of the tensile stress appears in the heat-affected zone near the outer surface; the circumferential stress is tensile in the weld region and its peak value appears near the inner surface of the pipe; while the stress in the base metal adjacent to the weld seam is compressive. The overall level of the residual stress in the thick-walled pipe after PWHT is relatively small, and the circumferential and axial stresses are reduced below 100MPa.

thick-walled pipe; local material removal method; internal residual stress

2014-02-26。

譚龍(1987—),男,博士生;張建勛(通信作者),男,教授,博士生導師。

國家科技支撐計劃資助項目(2009BAF44B00);教育部博士學科點專項科研基金資助項目(20100201110065)。

時間:2014-06-06

10.7652/xjtuxb201409022

TG404

:A

:0253-987X(2014)09-0130-06

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20140606.1541.006.html