摘要：本研究聚焦于Q345R 压力容器热处理温度场的均匀性优化及残余应力控制。通过热处理试验与残余应力测试方法，深入分析焊后热处理温度对Q345R 钢板焊接接头残余应力的具体影响，并在此基础上，进一步探讨多物理场（热-力-化学）耦合作用下残余应力的形成机制。针对发现的问题，本研究提出了优化工艺参数的策略，涵盖升温速率、保温时间及冷却方式等关键环节，有效提升容器力学性能（强度、韧性）和长期服役稳定性，为Q345R 压力容器的安全使用与性能提升提供了有力支持。

关键词：多场耦合；Q345R 压力容器；热处理；残余应力控制

压力容器作为能源、石油化工等行业的核心设备，其市场潜力巨大。据最新统计，2022 年我国压力容器市场份额已高达1878.8 亿元，彰显其在工业生产中的重要地位。然而，压力容器由于密封、承压及介质等原因，容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故，因此其安全性问题不容忽视。为确保压力容器的安全运行，设计阶段需对其热力学特性进行深入分析，研究多场耦合效应对压力容器性能的影响，其中热处理温度场的均匀性及残余应力的控制是关键环节。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

选择厚度为 46mm ，尺寸为 150mm×250mm 的 Q345R 钢板作为试验材料，焊接方法为埋弧自动焊接法，焊丝为 H10MnSi 碳钢，焊剂为HJ431，电流为 550A、电压为 30＼～32V、焊接速率为 20m/h 。将钢板切为大小相同的 4 块，分别编号 1＼～4，编号 1 为焊接态、编号 2 为 400^∘C×2h 、编号 3 为520^∘C×2h 、编号4 为 620^∘C×2h ，模拟焊后热处理试验，记录数值。

1.2 试验方法

本实验焊接坡口形式为 U 型坡口，热处理试验过程包括预热、焊接、焊后热处理等步骤，预热减少焊接过程中的热应力，防止焊接裂纹的产生；焊接采用埋弧自动焊接法，确保焊缝质量符合相关标准；焊后热处理通过控制加热温度、升温速率、保温时间和冷却方式等参数，研究不同热处理工艺对Q345R 钢板焊接接头残余应力的影响。

依据GB/T31310-2014《金属材料残余应力测定钻孔应变法》进行残余应力测试[1]。测试位置如图1 所示。

2 试验结果与分析

采用ABAQUS 有限元软件对焊接接头积极性残余应力数值模拟，材料的物理性能采用J Mat Pro 计算，物理性能与力学性能如图2（左）所示。横坐标为温度（℃），纵坐标为 ① 密度 （kg/m³）×10³ 、 ② 比热 （kJ/Ω（kg⋅K）^⋅ ）、③ 杨氏模量（MPa） ×10² 、 ④ 泊松比、 ⑤ 热膨胀系数（ （m/K ） 10^-5 、 ⑥ 热导率（ ⟨W/Ξ（m⋅K） ） 10² 。Q345R 的密度无明显变化，整体呈随温度上升而微弱下降的趋势；比热整体呈随温度上升先上升后下降的趋势， 200～1400^∘C 时呈上升趋势， 1400～1600^∘C 之间呈随温度上升而下降趋势；杨氏模量整体呈随温度上升而下降的趋势；泊松比整体无明显变化；热膨胀系数在600～800°C 之间出现下降趋势；热导率呈随温度上升先上升后下降趋势，在800^∘C 微弱提高，异常值出现在 800^∘C 附近 200～1400^∘C 之间呈随温度上升而上升趋势， 1400～1600^∘C 之间呈随温度上升下降趋势。

由图 2（中右）可知，试板表面残余应力与距熔合线距离的关系曲线呈现出大致的M 形，反映了焊接过程中应力分布的复杂性和非均匀性。在试板 x 和 y 方向上，焊接残余应力的最大值分别为 254.7MPa 和 241.2MPa，相同热处理工艺条件下，这两个方向的焊接残余应力相差不大，表明试板的残余应力分布在一定程度上具有各向同性。

3 残余应力的形成机制

如图 3（左）所示，加热结束后，钢板呈现出正向弯曲的趋势。加热初期，钢板各部分温度分布不均匀，导致热膨胀的不一致性，产生热应力，这些热应力在钢板内部相互作用，部分应力在冷却过程中得到释放，部分应力形成残余应力。同时，Q345R 钢板的材料特性会随着温度的变化而发生变化，进一步影响残余应力的形成和分布。

加热结束时 Q345R 基层内应力分布趋势为沿厚度方向拉应力逐渐降低，经过应力中性面后转为压应力并逐渐增大，最大拉应力为50.782MPa，最大压应力为-105.402MPa。覆层内应力分布趋势为沿厚度方向拉应力逐渐增大，最大拉应力为 87.618MPa ，最小拉应力为 28.019MPa 。加热结束时应变分布趋势为总应变逐渐降低。如图3（右）所示。

综上所述，基于多场耦合的Q345R 压力容器热处理过程中，钢板的物理性能与力学性能会受到工艺参数温度的影响，随着温度的上升，部分性能会出现下降趋势，可以采取升高温度的策略，将热处理温度提高至 620^∘C ，基本消除残余应力。

参考文献：

[1] 王瑞，霍同龙，田真真，郭傲翔，白振华，赵志敏.TA2/Q345R 复合板热处理残余应力的形成与演化机制[J].塑性工程学报，2025，（05）：229-236.

作者简介：支兴 1969.6.19 男 江苏省靖江市 汉 本科 工程师 研究方向： 压力容器设计、审核