隨著大容量、高蒸氣參數(shù)的超臨界及超超臨界機(jī)組不斷增加，原有的T91鋼已不能滿足超臨界及超超臨界機(jī)組安全運(yùn)行的需要。T92鋼自出現(xiàn)以后，以其優(yōu)異的綜合性能成為了超臨界及超超臨界機(jī)組的*選用鋼。T92鋼是一種高合金鐵素體耐熱鋼。T92鋼是在T91的基礎(chǔ)上，添加了1.5%-2%的鎢，降低了0.3%-0.6%的鉬的新型鐵素體耐熱鋼。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，焊接后的焊件中總是不可避免地存在焊接殘余應(yīng)力，而焊接殘余應(yīng)力又是決定焊接質(zhì)量的一個(gè)至關(guān)重要的因素。焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的根本原因是由于焊接受熱不均勻。另外，焊接方法、焊接方向、焊接工藝參數(shù)、焊后的熱處理以及是否存在拘束條件等都對(duì)焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生有一定的影響。本文采用盲孔法對(duì)T92鋼在不同的焊速、不同熱處理溫度及有無(wú)外部拘束等條件下進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試，分析焊接殘余應(yīng)力分布特征。

測(cè)試試件介紹

本文主要分析了無(wú)拘束和拘束兩種情況下，不同的焊速、不同的熱處理溫度對(duì)T92鋼管殘余應(yīng)力分布的影響，共分4組12個(gè)試件，具體如下。

1. 無(wú)拘束條件下：A組試件：其他焊接條件相同，分別選取焊速為30、60、90mm/min；B組試件：其他焊接條件相同，分別選取熱處理溫度為650、700、750℃。

2. 拘束條件下：C組試件：其他焊接條件相同，分別選取焊速為30、60、90mm/min；D組試件：其他焊接條件相同，分別選取熱處理溫度為650、700、750℃。

本次實(shí)驗(yàn)中采用手工鎢極氬弧焊，預(yù)熱溫度為150-200℃。母材選用材質(zhì)為SA213-T92，規(guī)格為Φ48.3mm*9mm的T92鋼。拘束板可選用長(zhǎng)度為100-120mm、厚度為14mm、寬30mm的“U"形鋼板。

盲孔法焊接殘余應(yīng)力測(cè)試

采用盲孔法進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試，沿焊縫方向上，分別在焊縫區(qū)和左右熱影響區(qū)各選取三個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)出焊接殘余應(yīng)力值，計(jì)算平均值。測(cè)量出鉆孔前后各應(yīng)變花的應(yīng)變值ε₁、ε₂、ε₃，根據(jù)所測(cè)得的應(yīng)變值，利用材料力學(xué)公式計(jì)算出沿焊縫方向的縱向殘余應(yīng)力σ_x和垂直于焊縫方向的橫向殘余應(yīng)力σ_y，計(jì)算公式如下：

式中A、B為應(yīng)變釋放系數(shù)，與工件材料種類(lèi)、孔徑大小、應(yīng)變花尺寸等有關(guān)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定可得到A、B系數(shù)大小，分別為A=-0.226*10^-6、B=-0.646*10^-6。

試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)束后，通過(guò)上述公式可得到各試件在焊縫區(qū)和左右熱影響區(qū)的平均縱向殘余應(yīng)力和橫向殘余應(yīng)力，A、B、C、D四組試件其試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果分別如圖1。

圖1試驗(yàn)結(jié)果

在焊接過(guò)程中，不均勻的熱輸入是產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力的重要因素，焊接溫度場(chǎng)的溫度分布越不均勻，焊接殘余應(yīng)力越大。通過(guò)對(duì)比分析，由圖1（a）、（b）、（e）和（f）可知，在焊速為30mm/min時(shí)，殘余應(yīng)力*大，并且隨著焊速的增加殘余應(yīng)力不斷降低，但焊速由60增加到90mm/min時(shí)，殘余應(yīng)力的降低量開(kāi)始變緩。因此，在保證焊縫熔合良好的情況下，應(yīng)盡可能提高焊速，以減小焊接熱輸入。焊速過(guò)慢產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力的主要原因是：當(dāng)焊速過(guò)慢時(shí)，高溫停留時(shí)間變長(zhǎng)，會(huì)造成熱影響區(qū)寬度增加，接頭晶粒變粗，力學(xué)性能降低，使焊件的殘余應(yīng)力增大。

P92鋼在熱處理時(shí)有非常嚴(yán)格的溫度要求，幾十度的差別就會(huì)對(duì)焊接接頭性能產(chǎn)生很大的影響。從圖1（c）（d）（g）和（h）可知，適合的熱處理溫度可以提高焊接的組織穩(wěn)定性、降低消除焊接殘余應(yīng)力，同時(shí)無(wú)論有無(wú)拘束，當(dāng)熱處理溫度為750℃左右時(shí)，P92鋼管焊接殘余應(yīng)力趨于穩(wěn)定，殘余應(yīng)力值達(dá)到*低。結(jié)合現(xiàn)有的研究成果，可以推斷出P92鋼管焊后的*佳熱處理溫度在750℃左右。

焊件的拘束分為內(nèi)部拘束和外部拘束。內(nèi)部拘束是指焊件本身的剛性性能，與焊件的材質(zhì)、焊件截面形狀及尺寸等有關(guān)。而外部拘束則是指外在的拘束條件。通過(guò)對(duì)圖1中測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析可知，當(dāng)焊件受到外部拘束時(shí)，同等焊接或熱處理?xiàng)l件下其焊接殘余應(yīng)力較大，焊件變形變??；受到外部拘束條件下，焊件熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力值均大于焊縫區(qū)的殘余應(yīng)力值，無(wú)外部拘束條件與之相反。

結(jié)論

本文采用盲孔法分別對(duì)拘束和無(wú)拘束、不同的焊熱和熱處理溫度條件下的T92鋼管進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力測(cè)試，通過(guò)對(duì)比分析測(cè)試結(jié)果，可得出以下結(jié)論：

1. 在其他焊接條件相同的情況下，焊接殘余應(yīng)力隨焊速的增大而減小，但當(dāng)焊速增加到一定值時(shí)，殘余應(yīng)力降低量會(huì)變緩。

2. 在其他焊接條件相同的情況下，通過(guò)熱處理可以有效地降低焊接殘余應(yīng)力，但如果熱處理溫度過(guò)低，則無(wú)法達(dá)到減小殘余應(yīng)力的目的。由此推斷出，T92鋼管焊接后的*佳熱處理溫度在750℃左右。

3. 當(dāng)焊件存在外部拘束條件時(shí)，焊接殘余應(yīng)力會(huì)增大，且焊件熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力值均大于焊縫區(qū)的殘余應(yīng)力值。