内压与焊接残余应力共同作用下高温管道蠕变有限元分析

利用大型有限元分析软件Abaqus的多次顺次耦合功能,先对P91钢高温主蒸汽管道焊接接头焊态和焊后热处理状态进行残余应力分析,然后采用Norton蠕变本构关系,根据P91耐热钢在625℃下焊缝、热影响区和母材的不同蠕变参数,对内压以及内压与热处理后残余应力共同作用下的接头蠕变进行有限元分析,分别得到了焊接残余应力和焊后热处理残余应力的分布规律,同时预测了在高温环境下服役105h后蠕变应变分布.结果表明,由于高温管道的壁厚以及约束等影响,焊后产生了较大的焊接残余应力,通过焊后热处理可以有效地降低焊接残余应力.但由于热处理残余应力的存在,仍对高温管道焊接接头的蠕变有较大影响,并且在焊缝与热影响区的交界处存在着较大的蠕变应变.     

Finite Element Analysis of High Temperature Piping Creep for Considering the Effect of Inner Pressure and Welding Residual Stress

利用大型有限元分析软件Abaqus的多次顺次耦合功能,先对P91钢高温主蒸汽管道焊接接头焊态和焊后热处理状态进行残余应力分析, 然后采用Norton蠕变本构关系,根据P91耐热钢在625℃下焊缝、热影响区和母材的不同蠕变参数,对内压以及内压与热处理后残余应力共同作用下的接头蠕变进行有限元分析,分别得到了焊接残余应力和焊后热处理残余应力的分布规律,同时预测了在高温环境下服役105h后蠕变应变分布. 结果表明,由于高温管道的壁厚以及约束等影响, 焊后产生了较大的焊接残余应力,通过焊后热处理可以有效地降低焊接残余应力.但由于热处理残余应力的存在, 仍对高温管道焊接接头的蠕变有较大影响,并且在焊缝与热影响区的交界处存在着较大的蠕变应变.     

焊后热处理对TA2钛板氩弧焊接头显微组织和性能的影响

采用氩弧焊焊接TA2钛板，然后对焊态和焊后热处理后的组织与力学性能进行对比分析。结果表明，TA2钛板氩弧焊接头的焊缝宽度约为6 mm,热影响区宽度约为4 mm;焊缝组织主要由β等轴晶+内部针状α马氏体+少量α′马氏体构成，热影响区组织主要由α板条晶粒构成；焊缝硬度最高为195 HV0.5左右，电阻率比母材高且残余应力最大，横向和纵向残余应力分别达到500 MPa和225 MPa;经550℃焊后热处理后，焊缝晶粒尺寸与焊态基本一致，热影响区晶粒显著变小，焊接接头硬度显著增加，电阻率和残余应力都有所降低；经600℃焊后热处理后，焊接接头晶粒尺寸、显微硬度、电阻率与焊态基本一致，残余应力显著减小；经650℃焊后热处理后，焊接接头晶粒尺寸显著长大，显微硬度和电阻率降低，残余应力显著减小。     

焊后热处理对12Cr1MoVG/12Cr2MoWVTiB钢焊接接头组织性能的影响

对12Cr1MoVG/12Cr2MoWVTiB异种钢焊接接头焊态及不同热处理温度下(720～770℃)的接头组织、硬度及拉伸、冷弯性能进行了测定.结果表明,随着热处理温度的提高,焊缝组织由回火马氏体+少量颗粒状贝氏体逐步转变为粒状贝氏体+索氏体组织,两侧焊缝硬度差异缩小,组织均匀化程度提高,晶粒有长大倾向.接头强度呈下降趋势,740℃强度下降趋缓,这是由于焊接残余应力得到大幅度释放,同时沉淀相的弥散强化作用增强所致.试验表明,730～770℃保持1 h焊后热处理制度均可满足使用性能要求,以740～760℃保持1 h热处理制度为佳.     

15MnNiCrMoV钢叶轮焊后热处理数值模拟

用有限元法模拟分析了15MnNiCrMoV钢离心压缩机叶轮在不同焊后热处理温度下的残余应力变化。结果表明,叶轮在焊接完成后的等效应力较大,最大等效应力达到996 MPa,而且残余应力主要集中在进风口焊缝。叶轮分别经过650、700和750 ℃保温5 h的消应力热处理后,其母材和焊缝处的残余应力均明显降低,且叶轮在经过650 ℃´5 h焊后热处理后,整体残余应力降低了49.3%;700 ℃热处理后,残余应力降低了54.5%;750 ℃´5 h热处理后叶轮的残余应力降幅最大,较焊后降低了62.7%,750 ℃是叶轮较为理想的消应力热处理温度。     

焊后热处理对Ti180电子束焊接头组织与性能的影响

对7 mm厚Ti180双相钛合金电子束焊接接头采用不同焊后热处工艺(550～700℃，8 h)，研究热处理温度对接头的显微组织和力学性能的影响。结果表明：热处理后Ti180电子束焊接头焊缝区和热影响区的残余β相上生成纳米级针状α相和球状亚微米级颗粒Ti₅Sn₃。随着热处理温度的升高，次生针状α’相逐渐减少，纳米级针状α相逐渐粗化，球状亚微米级颗粒逐渐回溶，使得接头的焊缝区和热影响区的显微硬度逐渐减小。此外，接头的常温抗拉强度和伸长率逐渐下降，而高温抗拉强度和伸长率整体上呈现随热处理温度先下降后上升的变化趋势。在热处理参数为550℃、8 h时，Ti180焊接接头具有最优的力学性能。且焊后热处理可以显著减小Ti180焊焊接接头的残余应力，在热处理温度为650℃时，接头的残余应力消除效果最佳。     

焊后热处理对Ti-22Al-27Nb合金激光焊接接头组织与高温性能的影响

研究焊后热处理对激光焊接2.5 mm厚Ti-22Al-27Nb合金组织和高温力学性能的影响。结果表明,Ti-22Al-27Nb合金激光焊接焊缝组织为单一的B2相。焊缝650℃高温抗拉强度为母材的75%,塑性则仅为母材塑性的40%左右。拉伸断口形貌为岩石状,呈现沿晶断裂特征。经过焊后热处理,焊缝组织为B2相+O相。相对于未热处理接头,热处理后焊缝和热影响区的硬度下降很多并趋于平缓。热处理温度750℃、保温时间1 h时焊接接头650℃高温抗拉强度达到了母材的87.5%,塑性为母材的82.2%,接头断裂形式为解理断裂。     

焊接残余应力磁弹性法测试研究

以巴克豪森噪声(Barkhausen Noise)为原理,采用频率20～70 kHz,测试深度为0.07 mm的STRESS-CAN500C磁弹性应力仪,测量了压力容器用16MnR钢焊后以及焊后热处理的残余应力(包括焊缝、熔合区、热影响区),研究了残余应力的形成、不同区域的分布.结果表明:平行于焊缝的残余应力大于垂直焊缝的残余应力;丁字焊接区产生应力极大值.选择550℃×3 h作为焊后热处理的工艺,其残余应力是屈服强度的20%.     

高强贝氏体钢TIG焊组织与性能研究

采用TIG焊焊接高强贝氏体钢,并分析其组织和性能.试验结果表明,焊接接头由焊缝、熔合区、热影响区及临近的母材组成,其中热影响区又分为淬火区和回火区,淬火区又包括粗晶区和细晶区.焊缝金属主要由针状马氏体、残余奥氏体和少量条状贝氏体组成,呈明显的柱状晶分布.在不预热及进行焊后热处理的情况下,抗拉强度仅为母材的25％左右,为脆性断裂.     

TC4钛合金电子束焊接头性能研究

对比分析了TC4电子束焊接头的金相组织、强度、塑性及硬度指标,并检测了焊缝表面及内部质量。结果表明,TC4电子束焊熔深达23～25 mm,焊缝呈钟罩形,接头成形良好,焊缝区产生大量马氏体组织;电子束焊焊缝区和HAZ区硬度高于母材的,消应力热处理后接头硬度提高;电子束焊接头强度高于母材的,塑性低于母材的,消应力热处理后焊接接头强度升高,母材的强度降低,塑性变化不大。     

Effect of different pre- and post-weld heat treatments on microstructures and mechanical properties of variable polarity TIG welded AA2219 joints

The microstructures and mechanical properties of 2219 aluminium alloy joints welded by variable polarity TIG welding in four kinds of different heat treatment conditions, namely, with/without pre-/post-weld heat treatment, were analysed and compared. The post-weld artificial aging treatment rendered fine dispersed precipitates (metastable θ′ phase) separate out of weld metal, which made the hardness of weld metal increase by ～20%. Meanwhile, the fracture location of joints during tensile test changed from weld zone to heat affected zone (HAZ). The pre-weld solution treatment reduced the overaging degree of HAZ and a large number of θ′ phase reprecipitated in HAZ after post-weld artificial aging treatment. Intermediate state welding, with pre-weld solution treatment and post-weld artificial aging treatment together, could increase 20% of the hardness of weld zone, increase 11.5% of the hardness of HAZ and increase 20.3% of the tensile strength of joint.     

焊后热处理对AA7075铝合金DP-MIG焊接接头组织及力学性能的影响

采用双脉冲熔化极精性气体保护焊（DP-MIG）工艺方法焊接AA7075-T651铝合金,焊接试板采用固溶处理（480℃×50 min）后水淬,再进行（80℃×24 h）+（120℃×24 h）两级人工时效热处理,通过金相观察、扫描电镜观察、X射线衍射分析、拉伸试验以及硬度测试,研究焊后热处理（PWHT）工艺对焊接接头显微组织及力学性能的影响.结果表明,焊缝区经热处理后,晶粒由枝晶向等轴晶转变,晶界处非平衡第二相溶解,晶界变细,焊缝显微组织特性改善明显;焊接接头经热处理后,抗拉强度由342.5 MPa提高到490 MPa,接头强度系数为0.872,焊缝软化区硬度得到较大改善,焊接接头力学性能有显著提升.     

热处理对TC17(α+β)/TC17(β)线性摩擦焊接头组织及力学性能的影响

针对热处理前后TC17(α+β)/TC17(β)钛合金线性摩擦焊接头组织和性能进行了对比分析. 结果表明,焊态时焊缝区组织发生动态回复和再结晶,两侧的热力影响区组织均被不同程度地拉长,热处理后焊缝中的亚稳相分解析出弥散的α和β相,TC17(α+β)侧热力影响区的初生α相有所长大. 焊态接头焊缝区显微硬度比母材低,接头的抗拉强度和屈服强度略低于母材,分别达到母材的91.9%,96.2%,接头拉伸性能试件断裂位置均在焊缝区;经过热处理,母材显微硬度未发生明显变化,焊缝区显微硬度显著提高,接头抗拉强度和屈服强度达到与母材相当,与焊态相比分别提高11.9%,8.2%,接头拉伸性能试件断于母材区.     

Microstructure and fatigue crack growth behaviour of electron beam welding in 30CrMnSiNi2A steel

The effects of two post-weld heat treatment processes on the microstructure and fatigue properties of the electron beam welded joints of 30CrMnSiNi2A steel were studied. Electron beam local post-weld heat treatment ( EBLPWHT) , in a vacuum chamber, immediately after welding and a traditional furnace whole post-weld heat treatment (FWPWHT) were accepted. The experimental results show that, after EBLPWHT, the main microstructure of weld is changed from coarse acicular martensite into lath martensite, and base metal is changed from ferrite and perlite into upper bainite and residual austenite, however the microstructures of different zones of joints in FWPWHT conditions are tempered sorbite. The fatigue crack growth rate da/dN of welds and base metal are not obviously changed among EBLPWHT, FWPWHT test and as-welded (AW) test, as the mechanical properties of materials have a certain but not large effect on the da/dN of welded joints. The resistance to near threshold fatigue crack growth data of welded joints can be largely improved by EBLPWHT and it is related to microstructure and crack closure effect.     

TC17钛合金线性摩擦焊接头组织及力学性能分析

针对固溶时效态TC17钛合金焊态及焊后热处理态线性摩擦焊接头,进行显微组织及力学性能对比分析. 结果表明,焊态时焊缝组织发生了回复与再结晶,由于焊后冷却速度较快,生成了亚稳定β相,焊缝区发生了软化;热力影响区组织沿受力变形方向拉长、细化、交替呈带状分布,加工硬化程度较高,显微硬度明显高于其它区域;热影响区由于二次次生α相基本溶解于亚稳定β相,导致显微硬度显著降低. 经过焊后热处理,亚稳定β相发生时效分解,析出了弥散程度更高的针状次生α相使得焊接区硬度大幅度提高. 由于亚稳定相的生成,焊态接头发生软化,拉伸均断裂在焊缝区,抗拉强度达到母材强度91.8%,断口呈脆性断裂形态;焊后热处理态接头由于二次次生α相的析出,起到弥散强化的作用,拉伸试验均断在母材,断口呈典型韧性断裂形态.     

异质TC17线性摩擦焊接头焊后时效处理组织与性能

线性摩擦焊是制造航空发动机整体叶盘的关键技术. 通过光学显微镜、扫描电镜、电子式万能试验机及显微硬度仪对比分析了TC17(α + β)/TC17(β)钛合金线性摩擦焊接头焊态及不同时效温度下接头的组织与性能. 结果表明,焊态下焊合区及附近区域的微观组织为过冷β细晶,硬度最低;经焊后时效处理,析出了细小针状α相,硬度升高. 焊后时效温度为400 ℃时,焊合区及附近区域的硬度值明显提高,焊接区脆化. 焊后时效温度为630 ℃时,接头弯曲角度最高,但强度降低. 综合焊接接头的硬度、弯曲与拉伸性能优化出的焊后时效温度为550 ℃. 接头弯曲角度和抗拉强度分别达到母材的36%和95%. TC17(α + β)侧热力影响区( thermal-mechanical affected zone,TMAZ)受力后微观塑性变形更均匀,其强塑性能均优于TC17(β)侧TMAZ. 接头的弱化区对应于TC17(β)侧TMAZ硬度变化梯度及组织梯度最大的区域. 相比母材,接头的塑性损失比强度损失要大得多.     

激光焊接热输入对Ti2AlNb合金组织性能的影响

研究激光焊接热输入对Ti-22Al-27Nb(at%)合金焊缝成形和力学性能的影响,利用OM、SEM、XRD和TEM等手段对焊接接头的显微组织特征进行了分析,并探讨了焊后热处理对焊接接头组织性能的影响。结果表明,连续激光焊接可以获得无缺陷、成形良好的焊接接头。焊缝区域组织主要为柱状的B2相,柱状晶的生长方向垂直于熔合线。焊缝和热影响区的显微硬度要高于母材,焊缝的平均显微硬度最高。随着热输入的增加,焊接接头的室温抗拉强度增加,但是焊接接头的延伸率较低。焊接接头650℃高温强度为母材的71%~75%,塑性则仅为母材塑性的40%左右。经过焊后热处理,焊缝由B2+O相组成。O相增多使得焊缝的室温强度略有提高,且提高了650℃高温拉伸性能,高温抗拉强度最高可达母材的87.5%。     

焊后热处理对31CrMoV9钢电子束焊接接头组织及性能的影响

研究了31CrMoV9钢电子束焊接接头在焊后去应力退火、焊后调质两种不同焊后热处理状态下的焊缝组织与性能,并与同等强度等级下的母材组织与性能进行了对比研究。结果表明,接头焊后组织为板条马氏体及少量残留奥氏体;焊缝经调质处理后,组织为相对均匀的回火索氏体,接头力学性能与母材相当,相比于焊后去应力退火处理,焊缝冲击性能大幅提高。两种类型的焊后热处理均未消除焊缝柱状枝晶等凝固组织形态,但焊后调质工艺可减轻焊缝柱状枝晶组织偏析,并使之细化,使得焊缝与母材的组织与硬度更加均匀;焊后经多次重复淬火,焊缝经检测均未见裂纹,说明焊后采用调质工艺可行,这为提高焊缝冲击性能提供了可行工艺路线。     

冷喷涂改善2219铝合金熔焊接头残余应力新方法

目的采用冷喷涂技术改善2219铝合金变极性钨极氩弧焊(VPTIG)焊接接头残余应力。方法采用冷喷涂技术在8 mm厚2219铝合金VPTIG焊接接头表面进行Cu涂层制备,分析冷喷涂前后接头微观组织、力学性能及残余应力的变化,探究冷喷涂过程中高速碰撞颗粒的"喷丸效应"与加热气体的"热效应"对接头残余应力的改善作用及内在机制。结果冷喷涂前后,接头整体的微观组织无明显变化,但在焊缝表面(Cu涂层与焊缝结合面处)观察到明显的塑性变形。冷喷涂后,焊缝区上表面显微硬度提高,作用深度约2 mm(余高处);接头抗拉强度表观上稍有降低,这是由于涂层对焊缝的拉伸应变局部化改变所致,"喷丸效应"与"热效应"单独作用下,接头抗拉强度无明显变化,所有拉伸试样均从焊趾处沿着熔合区发生断裂。焊态接头残余应力分布总体呈拉应力状态,在焊缝处最大,经过冷喷涂后,焊缝残余拉应力峰值从约200MPa降到约24MPa,大部分区域从拉应力变为压应力,且分布均匀性变好。结论冷喷涂技术可以显著改善VPTIG焊接接头残余应力分布。冷喷涂粒子的"喷丸效应"对基体残余应力的改善作用显著。高温气流的"热效应"虽未能显著降低残余应力,但使应力分布变得均匀。     

Evolution of residual stresses in dissimilar steel surfacing layers during process of post-weld heat treatment

Abstract

Residual stress relaxation during post-weld heat treatment (PWHT) is a thermodynamic process, which is affected not only by the heat treatment process, but also by the welding residual stress. In this study, the residual stresses in as welded and heat treated surfacing metal were measured using blind hole and X-ray method. The results reveal that the welding residual stresses are compressive at the surface of the weld and tensile at inner weld. However, after PWHT, the residual stresses at surface and inner weld change to the opposite state. Finite element simulations show that the differences of expansion coefficients between base metal and filler material are the main factor to the changes of stress state. The experimental results verify that the expansion coefficients of base metal and filler materials have been changed greatly after long soaking at high temperature.