喷丸对不锈钢焊接接头应力腐蚀开裂影响的研究

【摘要】：不锈钢焊接接头的残余应力为焊接构件发生应力腐蚀开裂提供了应力来源。喷 丸工艺处理能够使焊接构件表面残余拉应力转变为压应力,从而预防应力腐蚀开裂 的发生。本文选用玻璃丸和钢丸两种弹丸对不锈钢焊接试板进行喷丸处理,通过 X 射线衍射法测定应力、应力腐蚀加速试验和有限元模拟等,研究喷丸提高不锈钢焊 接接头抗应力腐蚀的机理与最佳工艺。本文的主要研究工作及得出的结论如下: (1)通过 X 射线衍射法测定了焊接试板表面的残余应力分布,焊缝及其附近 的最大纵向残余应力接近材料的屈服强度,远离焊缝区域的应力为压应力;焊缝两 端也为压应力。 (2)通过 X 射线衍射法测定了喷丸试板表面的应力分布,分析了不同喷丸工 艺对残余应力分布的影响。结果表明,覆盖率越大,压应力越大;相同的喷丸强度 和覆盖率下,玻璃丸产生的压应力大于钢丸产生的压应力;采用玻璃丸喷丸处理的 试板在 200%覆盖率时表层的部分奥氏体向马氏体转变。 (3)建立了焊接温度场和应力场三维有限元模型,考虑了材料物理性能随温 度的变化(即材料非线性),以及周边对流、辐射散热的影响。运用高斯分布方法 来模拟焊接热源,运用单元激活技术来模拟多道焊焊接过程。模拟计算出焊接过程 的瞬态温度场、瞬态焊接应力场和残余应力场。比较模拟结果与试验结果,焊接残 余应力分布规律基本一致,验证了采用的非线性有限元模拟法研究焊接残余应力的 有效性和正确性。 (4)建立了喷丸应力场的三维有限元模型,考虑了线性减缩积分单元的沙漏 问题、材料的应变硬化率、覆盖率及初始残余拉应力等的影响。模拟计算出玻璃丸 和钢丸两种弹丸喷丸所产生的残余应力场。并比较了两种弹丸在相同喷丸强度下残 余应力的分布。在高覆盖率时,玻璃丸喷丸产生的残余应力比钢丸喷丸产生的大, 这与试验结果一致,说明采用数值模拟方法模拟喷丸残余应力是可行的。 (5)使用 42%沸腾 MgCl2 溶液作为腐蚀介质进行应力腐蚀试验,分析了未喷 I WP=5 摘 要 丸焊接试板和不同喷丸工艺处理的焊接试板的抗应力腐蚀能力。试验结果表明:未 喷丸处理的焊接试板 6 小时就开裂。50%、100%覆盖率的钢丸喷丸焊接试板分别在 试验 310 小时、3500 小时开裂。而 200%覆盖率的钢丸喷丸试板,50%、100%、200% 覆盖率的玻璃丸喷丸焊接试板经历 3500 小时也未开裂。因此,喷丸处理工艺能够 很好地提高构件抗应力腐蚀能力,而且玻璃丸喷丸处理工艺的构件抗应力腐蚀能力 明显优于钢丸喷丸处理工艺的构件。