(大连交通大学 机车车辆工程学院，辽宁大连 116028)

0 引言

根据相关规范要求[1-2]，对于一些工程结构，在建造时需要进行焊后热处理来降低接头残余应力，改善焊接接头组织和性能。对于尺寸较小的结构或部件，可以整体置于炉中均匀加热，结构不会出现显著的热应力[3]；但对于大型压力容器或现场补焊结构，则需要进行局部焊后热处理，即只在接头附近加热。局部焊后热处理的不均匀加热过程会产生较大的热应力，甚至有时会因热应力超过材料屈服强度而导致结构产生永久变形和损伤[4-6]。因此，控制局部焊后热处理时的热应力具有重要的工程意义。

常见规范(如AWS D10.10)中一般认为热应力由局部温度梯度引起，常通过规定焊缝附近温度梯度的方式来控制热处理时的热应力。有关文献也重点研究了热处理期间的温度场问题[7-8]；而为了控制温度梯度，则往往需要使用足够大的加热区域[9-10]。这种方式，其一，会造成能源的浪费；其二，各个规范的要求不尽相同，也为热处理的具体实施带来一定困难[11]；其三，对于一些几何复杂的结构，还会因为难以找到合适的加热带布置方案而放弃热处理环节[12]。

本文通过分析管接头局部加热时轴向热应力的产生机理和分布特点，提出利用第二加热带的反弯矩缓解热应力的方法，通过对几种典型管接头加热带布置方案的优化结果，以证明这一方法的有效性以及加热区域小、节约资源的优点。

1 局部焊后热处理的热应力产生机理

1.1 管接头局部加热的热应力产生机理分析

图1示出环焊缝钢管接头的几何形状，假设局部焊后热处理时，在焊缝位置环向加热的加热带半宽为HB。结构材料为1.25Cr-0.5Mo钢，其力学性能见表1。

(a)管接头

(b)管接头几何尺寸

项目弹性模量/GPa泊松比屈服强度/MPa抗拉强度/MPa伸长率(%)数值212.70.2931060518

利用顺序热机耦合方法进行有限元计算。首先建立轴对称平面有限元模型，在HB=200 mm范围施加热流边界条件，进行热传导分析；然后利用获得的温度场进行应力分析，得到的热应力结果如图2所示。其中，本文所有模型使用相同材料，热处理时焊缝位置的最高温度均设定为600 ℃。

(a)轴向热应力与结构变形

(b)截面热应力分布

(c)外表面热应力分布

根据图2可以得到以下规律。

(1)加热带及其附近材料(温度最高的部分)受热径向向外膨胀，而温度较低区域的材料则阻碍其膨胀，焊缝附近会受到较大的弯曲作用。图2(a),(b)中均显示轴向应力在外表面为拉，内表面为压，表明截面1存在图示逆时针方向的弯矩M。然而，距焊缝中心450 mm的截面2的轴向应力却显示为相反的分布特征(外表面为压，内表面为拉)，说明截面2存在反方向的弯矩。另外，图2(a),(c)均显示，轴向应力在焊缝位置最大。

(2)焊缝附近材料的环向膨胀也会受到抑制，因此，截面1附近材料的总体环向应力应当为负，这符合图2(b)中截面1的平均环向应力为负的特点。当然也应当看到，由于同样存在弯曲效应，环向应力在截面1上并非均匀分布，其中内表面的压应力值最大，其值约为同一位置轴向应力的60%。

(3)由图2(c)可以看出，对于最关心的焊缝附近，轴向应力对Mises应力值有决定性的贡献。因此，为了缓解外表面热应力，应当重点降低轴向应力。在内表面，截面1的轴向应力也大于环向应力，同样应重点降低轴向应力。

既然降低轴向应力是重点，那么首先需要了解管接头中轴向热应力产生的机理。为了研究这一问题，这里另外构造2个模型进行对比分析。第一个新模型是对图1管接头HB=150 mm范围施加600 ℃的恒温边界条件进行稳态热分析，即人为生成局部的均匀温度场；另一新模型为平板对接焊缝，其中焊缝长度(即板宽)为1 m，另一方向尺寸同图1的管接头长度，为2.6 m。另外，板接头的板厚、加热带宽度和热流条件也与管接头相同，并且计算时使用相同的网格，但选用平面应变单元。3种模型的外表面温度和应力分布如图3所示。需要注意的是，相对于焊缝而言，管的轴向应力就是垂直于焊缝的横向应力。因此，为了方便，图3(b)中3种模型统一标示为横向应力。

(a)温度分布 (b)热应力分布

图3 3种模型的表面温度及热应力对比

由图3(a)可以看出，同样热流条件下，平板接头的温度分布与管接头基本一致。而图3(b)却显示平板接头的横向热应力基本为0，这与管接头有显著差别，说明虽然温度梯度是热应力产生的必要条件，而结构中材料受到的约束效应也是热应力产生的主要原因。另外，恒温边界条件管模型的结果进一步证明了这一点。由于材料的约束状态相同，虽然加热带局部区域的温度为常数(即温度梯度为0)，而接头的热应力并没有显著降低。这表明材料受到的约束效应主导了轴向热应力的产生。因此，只从控制温度梯度的角度来缓解热应力并不是最优的选择，而且这往往需要过大的加热区域。

1.2 接头中的最大反弯矩位置

图4 不同管接头结构的轴向热应力分布

2 管接头的加热带优化实例

2.1 环向加热带的布置方案优化

由上述分析可知，在对管进行局部加热时，管壁上会出现正弯矩区和反弯矩区。根据这一特点，可以设定在进行焊后热处理时，设置两类加热带，分别为基本加热带和第二加热带。其中，基本加热带位于焊缝位置，目的是使加热焊缝区域达到热处理标准中规定的温度。既然目的仅仅是加热，那么基本加热带可以考虑使用较小的宽度。同时，使焊缝位于第二加热带的最大反弯矩区，这样就可以尽可能多地抵消基本加热带在焊缝截面产生的正弯矩，从而达到降低焊缝位置轴向应力和Mises应力的目的。其中，第二加热带可以设置低于焊缝的温度值。

以图1管接头为例，在总加热带宽度不变的前提下，设置加热带优化方案，加热带布置如图5所示，2个加热带的宽度HB1和HB2均为100 mm，距离为d。其中,基本加热带的最高温度仍然设定为600 ℃，第二加热带的温度设定为450 ℃左右。不同加热带优化方案的计算结果如图6所示。

图5 管接头的加热带布置示意

(a)不同加热带方案的温度分布

(b)不同加热带方案的Mises应力分布

由图6(b)可以看出，与图2中原方案的应力结果相比，3种优化方案的Mises热应力分别降低了12%，25%，23%。其中，d=200 mm和d=300 mm时的效果最好，原因在于焊缝接近于加热带HB2的最大反弯矩位置。这样就在加热带的总宽度没有增加的条件下，达到了显著降低热应力的目的。这一结果证明了前文作出的缓解热应力的关键在于降低轴向应力的推断。同时需要注意的是，热应力的缓解效果还与第二加热带的温度密切相关，提高温度会达到更显著的效果。

2.2 加热带与几何不连续位置的合理距离

利用第二加热带的反弯矩缓解焊缝位置热应力的同时，还需注意环向加热带的热应力分布是对称的，如果结构中的几何不连续位置位于另一侧的最大反弯矩区，同样会产生严重的应力集中。图7(a)中管结构的喷嘴通过环焊缝与其他管结构相连，需要对环焊缝进行热处理。图7(b)示出加热带边缘与两管连接处距离Ln=50 mm时的Mises应力结果。可以看出，两管之间的接头焊缝处产生了严重的应力集中现象，达到了材料屈服强度的量级。

(a)管接头结构尺寸

(b)热应力计算结果

图8 不同间距时的焊缝热应力对比

2.3 喷嘴接头的热应力缓解方法

相比于环焊缝，位于几何不连续位置的喷嘴接头在热处理时更易于产生很高的热应力。对于图9(a)中的喷嘴接头，如果加热范围只包括图中所示的喷嘴和容器上的环向加热带(加热方案1)，则最大应力会远超材料屈服强度(见图9(b))。

这种情况仍然可以利用第二加热带解决。与之前的环焊缝不同的是，鞍点的热应力需要反弯矩产生环向应力，这需要布置纵向的加热带(见图10(a))。但是，圆管材料在轴向和环向所受到的约束状态不同，因此还需研究纵向加热带在环向产生的热应力分布特征。根据图10(a)中包含轴向加热带的模型，得到沿环向(路径A)的环向热应力分布如图10(b)所示。为了对比，图中也给出了第1.1节中环向加热带产生的轴向热应力分布结果。

(a)喷嘴接头几何结构

(b)沿焊缝方向的热应力分布

(a)纵向加热带

(b)热应力分布对比

图11 加热方案2示意

由图9(b)可以看出，相比于加热方案1，加热方案2的应力明显降低，尤其鞍点的最大热应力降低了约43%，有显著效果。需要指出的是，与文献[14]中提出的加热方案相比，这里的第二加热带面积进一步减少约1/4；另外，第二加热带的最高温度、宽度等也可以作为优化参数，以得到更理想的结果。

3 结语

本文根据直管局部环向加热时的热应力分布规律，证明了降低轴向应力(即焊缝的横向应力)是缓解热应力的关键因素，发现了加热带之外存在的最大反弯矩点，并提出了利用第二加热带的反弯矩缓解焊缝区热应力的方法，最后，通过几种典型管接头的热应力缓解实例，验证了方法的有效性。

根据本文分析，第二加热带的位置是缓解热应力的关键参数。结合计算结果，可以得出以下规律：

另外需要指出的是，本文只关注了如何合理布置加热带可以有效降低热应力的问题，并没有考虑焊接接头中的残余应力分布。针对一个实际接头，计算时将残余应力场作为初始状态，本文的结论仍然适用。