李忠杰

（上海锅炉厂有限公司，上海 200245）

0 引 言

残余应力可导致零件尺寸不稳定，甚至开裂破坏。退火是消除残余应力最常见的方法之一。然而大型结构件的整体退火十分困难，通常是只对构件的高应力区进行局部加热，以此来有效降低残余应力水平（称为残余应力的热松弛）。残余应力热松弛是一种热力学过程，不但受加热温度和时间的影响，而且还与残余应力状态及其不均匀性有关。促使残余应力松弛的外界因素可以是加热温度也可以是外加载荷，在高温加热条件下构件的宏观残余应力和微观残余应力均会发生松弛现象，其实质是材料中的弹性应变能通过局部塑性变形的方式逐渐释放，从微观上讲则是在回复和再结晶过程中存在原子扩散和位移的过程［1－5］。

先进超超临界发电机组700℃锅炉水冷壁组件材料采用的是SA213-T92马氏体钢（以下简称T92钢）。通常在水冷壁管排上需焊接填板、刚性梁等附件，附件与管排焊接后必然在焊接区域产生较大的焊接残余应力与约束残余应力，其中的残余拉应力会对组件产生一些不良影响，例如导致构件的开裂失效等。研究残余应力状态及其热松弛行为，是制定实际构件退火去应力工艺的基础。虽然目前对于焊接件残余应力的研究比较多［6－8］，但国内还没有类似材料水冷壁的制造经验，为了保证这类水冷壁组件在长期服役过程中的可靠性，迫切需要分析与评价不同结构形式、不同热处理状态下这类水冷壁组件的残余应力大小及其分布形式。为此，作者通过测定T92钢焊管退火处理前后残余应力，分析了残余应力的高温松弛行为，并进行了高温松弛动力学计算。

1 试样制备与试验方法

试验材料为SA213-T92钢管，尺寸φ38.1mm×6.8mm，管材来源于上海锅炉厂有限公司，该钢材主要用于锅炉水冷壁组件。完成对附件的焊接后，采用加热炉在600，650，700，750℃下分别对试样整体进行不同时间的退火热处理。焊接接头形貌如图1所示，在接头的纵向由上至下选择A、B、C、D及E共5条检测线，每条线上由基体至焊缝再至基体共选择11个测试点，分别研究这些部位的焊接残余应力及其热松弛行为，测试点位置及对应接头部位如表1所示。

借助Proto-8818型电解抛光机，对检测表面进行电化学腐蚀和抛光，工作参数为15V及2A，电解液为饱和食盐水。各测试点的电化学腐蚀面积约10mm2，腐蚀深度约100μm。

图1 焊接接头的宏观形貌Fig.1 Macrograph of the welded joint

利用Proto-iXRD型便携式X射线应力分析仪，检测焊接管各点纵向残余应力和横向残余应力，管电压20kV，管电流5mA，铬靶Kα辐射，V滤波片，准直管直径1mm，选取Fe（211）衍射晶面作为应力测量面，探测器采用512通道位敏探测器，测试过程中衍射角2θ范围为19°，采用同倾衍射几何方式，ψ角范围为±45°，为了优化测量，内优化设置采用17站。应力计算过程中的需要用到的X射线弹性常数S2/2＝5.92×10－6MPa－1及S1＝－1.28×10－6MPa－1，材料无应力状态衍射角为156.4°，执行 ASTM-E915－2010、EN15305－2008 和 GB 7704－2010标准。

表1 试验焊管表面检测位置及对应接头部位Tab.1 The measurement positions on the surface of welded pipe and their corresponding parts of the joint

2 试验结果与讨论

2.1 焊管表面残余应力分布

由图2可知，退火前焊管表面纵向残余应力高于横向的，但两者分布趋势相似，在焊缝与母材交界处残余拉应力最高（5＃和7＃测试点处），在焊缝中心也存在残余拉应力，但比交界处略小；离焊缝越远的地方残余拉应力越小；有些地方存在很小的残余压应力（2＃测试点处约为－120MPa）。

由图3可以发现，不同温度退火后焊管接头表面的残余应力比退火前均有所下降，经600℃×4h退火以后焊缝处的纵向残余应力仍然高于横向的，两者残余拉应力峰值分别在200MPa和100MPa左右；随着退火温度的升高，焊缝的残余拉应力逐渐降低，经750℃×4h退火后，焊缝区纵向和横向平均残余拉应力峰值都基本稳定在20～25MPa。从表2可见，在退火加热过程中，纵向和横向平均残余拉应力都在减小，退火温度越高，减小越多，当退火温度为750℃时候，焊缝区平均拉应力基本消失。

2.2 焊接残余应力的高温松弛动力学

从图4可以看到，随着退火时间的延长，残余应力按幂指数的规律发生松弛，温度越高残余应力的松弛程度就越明显。这是因为残余应力的存在，使材料中局部区域在高温条件下必然发生蠕变现象，蠕变等效应变速率可表示为［9］

式中：σ为残余应力；A为材料常数；n为应力指数；Q为蠕变激活能；t为应力松弛时间；T为热力学温度；R 为气体常数，8.31J·mol－1·K－1

图2 退火前焊管表面的残余应力面分布Fig.2 The distribution of residual stress along the longitudinal（a）and transverse（b）directions on the surface of welded pipe

图3 经不同工艺退火后焊管表面的残余应力分布Fig.3 The distribution of residual stress on the welded pipe surface after different annealing treatments

表2 不同退火工艺后焊管表面的平均残余应力Tab.2 The average residual stress of the welded pipe surface after different annealing treatments MPa

当材料局部发生蠕变即塑性应变量增加时，弹性应变随之减小，造成该区域残余应力降低。残余应力改变量dσ与蠕变应变改变量dε之间的关系为

结合式（1）和（2），可得到

对（3）式积分后可得到

式中：σ0为最初（t＝0）的残余应力；σ为在高温（T）下松弛一段时间（t＞0）后的残余应力。

图4 不同工艺退火后焊缝表面残余应力的松弛动力学曲线Fig.4 The relaxation kinetic curves of residual stress on the surface of welded pipe after different annealing treatments

根据式（4）及图4中的数据，借助计算机程序进行回归分析，求得系数系数B为5.07×104，应力指数n为4.4，应力松弛激活能Q为242kJ·mol－1，与钢铁材料应力指数及自扩散激活能相当。材料的高温蠕变及应力松弛行为通常与基体原子扩散及位错运动等有关。当基体原子扩散及位错运动阻力增大时，则表现出高的应力指数及应力松弛激活能［10－14］。

3 结 论

（1）退火前试验钢焊管接头表面的纵向残余应力高于横向的，两者分布规律相似，在焊缝与母材交界处残余拉应力最高，焊缝中心稍低；离焊缝越远，残余拉应力越小；有些地方还出现很小的残余压应力。

（2）不同温度退火后焊管接头表面的残余应力比退火前均有降低，随着退火温度的升高，残余拉应力逐渐降低；当退火温度为750℃时，焊缝的拉应力基本消失。

（3）根据不同退火温度下焊缝区残余应力的热松弛动力学曲线，求得蠕变等效方程中的系数B为5.07×104，应力指数n为4.4，应力松弛激活能Q为242kJ·mol－1，与钢铁材料应力指数及自扩激活散能相当。

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