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去应力退火处理对310S耐热不 锈钢管焊接接头残余应力与力学性能的影响

来源:至德钢业 日期:2018-08-23 01:48:31 人气:569

采用钨极氩弧焊对310S耐热不锈钢管进行焊接试验,并对其 接头进行去应力退火处理,采用金相显微镜、残余应力仪、拉伸试 验机等测试热处理前后焊接接头的显微组织、力学性 能与残余应力演变规律。结果表明:在600℃进行退火处理时,随着保温时间的增加,310S耐热不锈钢管残余应 力被消除的程度逐渐加大;由于去 应力退火温度表达到其再结晶温度,因此,热处理后310S耐热不锈钢管焊接接 头的显微组织与力学性能变化不明显

    310S耐热不 锈钢管以其高的热强性、较高的 耐腐蚀性及良好的综合力学性能.被广泛 用于制造锅炉过热器管、主蒸汽管道、阀体、燃气轮 机叶片及其他高温抗氧化结构部件。但于其 热膨胀系数较高,其焊接 件往往存在较大的焊接残余应力,在实际 使用中残余应力和外载荷共同作用将会降低焊接件的力学性能和使用寿命。目前,消除焊 接残余应力的常用手段主要有锤击法、热处理法、振动法等;但锤击 法使用范围具有很大的局限性,振动法成本较高,而热处 理法以其操作较简单、成本相对较低、去应力 效果良好等优点,成为消 除焊接接头残余应力的常用方法。

    因此,本文以310S耐热不锈钢管为母材,采用TIG焊技术 对其进行焊接试验.并对其 进行不同的去应力退火处理,探索热 处理消除残余应力的机理及热处理对焊接接头力学性能的影响规律。

1  试验

    310S耐热不 锈钢管为母材进行TIG焊试验,试样尺寸为100mmx80 mmx3 mm,焊接电流为140 A,焊接速度为0.32 m/min.送丝速度为0.32 m/min。去应力 退火处理方案如图1所示,退火温度为600℃,保温时间分别为0.51.0J.5 h。采用X-350AX射线残 余应力仪进行焊接接头残余应力测试.测试点的分布如图2所示,每个点测试3次,然后取其平均值。采用DMT3000M型光学 金相显微镜观察热处理自可后焊接接头显微组织演变规律,腐蚀剂为王水。采用HVS-1000Z型显微 硬度计测试焊接接头显微硬度应变规律。对热处 理前后的焊接接头进行拉伸试验,每种性能的接头测试3个,然后取 其均值为最后结果。

2结果分析与讨论

2.1  焊接接头的显微组织

    3为焊接接头示意图,z方向为焊丝移动方向,截取xy截面的 焊缝进行焊缝组织观察。熔焊过程中,母材局 部区域熔化与熔化了的焊丝混合形成焊接熔池。在过冷的条件下,熔池金属凝同,同时结 晶过程中伴随着晶核的形成与长大。由于焊接熔池小,冷却速度快,过冷度较大,,所以在 凝固过程中晶粒的非自发形核占主导地位m。焊缝金 属非自发形核开始于熔池边界的晶粒表面,以柱状 晶的形态向焊缝中心区域生长。.如图4a所示为 热处理前的焊缝中心区域组织,母材是310S钢,焊缝金 属凝固过程中直接从液态金属中析出一次Y相,并保留至室温。焊接时焊丝沿着z方向以 一定的速度移动,在焊缝 熔池金属凝固过程中,晶粒倾 向于沿着垂直于熔池边界的方向生长,、因为这 个方向具有最大的温度梯度,散热最快,同时焊 缝中心的温度过高不利于自发形核,为柱状 树枝品的生长提供了优势;晶粒从 靠近熔合线处的母材上联生地向焊缝中心处长大起来。如图4b4c4d所示分 别为去应力退火过程中保温0.5101.5 h后的焊缝组织,310S耐热不锈钢 管由于去应力退火温度600℃为未达到再结晶温度,所以热 处理后焊缝的基本组织不变。

2.2焊接接头残余应力

    焊接残 余应力是焊接件不可避免的缺陷,焊接时 的局部不均匀热输入是产生焊接残余应力的主要影响因素。焊后热 处理是消除焊接残余应力的有效措施,焊后热 处理主要包括加热和保温两个阶段,随着加热温度的提高.焊接残 余应力随着材料屈服点的降低而降低,当达到 热处理的温度时,残余应 力降低到材料在此温度的屈服点以下,在以后 的保温过程中残余应力会因应力松弛而得到释放。

    如图5所示,310S耐热不锈钢 管焊接接头的纵向残余应力和横向残余应力在热处理后都有所降低;随着保温时间的不同,残余应 力被释放的效果也不同,如图Sa所示,.焊缝中 心处的横向残余应力热处理前为拉应力184 MPa,退火时保温0.5 h变为压应力68 MPa,保温1.0 h变为压应力166 MPa.保温1.5 h变为压应力13 MPa;如图5b所示,焊缝中 心处的纵向残余应力热处理前为拉应力200 MPa,退火时保温0.5 h变为压应力49 MPa,保温10 h变为拉应力123MPa,保温1.5 h变为压应力61 MPa。可见热 处理对焊接接头的残余应力消除效果是比较明显的,考虑到 不同的热处理工艺针对不同的焊接件,残余应 力选取点的差异性会影响测试结果的规律性,但总体 趋势是随着保温时间的延长,残余应 力被消除得越明显,同时由 于热处理冷却过程中,随着温度的降低,材料的屈服强度提高,导致应力值回升,所以热 处理后存在热处理态残余应力,本次试 验主要存在热处理态残余压应力。

2.3  力学性能

    6为热处 理前后焊接接头的硬度变化曲线.热处理 前各区域的硬度变化规律为:由焊缝 区到熔合区硬度升高,过热区硬度降低,到正火区硬度升高,再到部 分相变区硬度再次降低,由于各 个区域具有不同的显微组织决定了各个区域具有不同的显微硬度值,由于熔 合区成分和组织的不均匀性,存在大 量碳化物的聚集,使熔合 区硬度显著地增高,过热区 具有粗大的晶粒组织,使硬度降低,而正火 区一般具有细小的晶粒组织,使硬度得以升高,而部分 相变区的组织存在严重的不均匀性.则硬度再次降低。

    焊件热处理后,焊接接 头各个区域显微硬度的整体变化趋势和热处理前是一致的,去应力 退火不改变焊接接头的微观组织.对焊接 接头的硬度变化规律不会产生影响,但热处 理后的焊接件平均显微硬度比热处理前的硬度值要高,这是由 于热处理后焊接接头区依旧存在热处理态残余压应力,接头区 存在弹性应变场有助于硬度的提高.同时热 处理过程中不同的保温时间对硬度的影响效果也不同.保温1.5 h焊接接 头的平均硬度要高,主要原因是保温1.0h时焊接 接头区的平均残余压应力数值较大,则硬度值就较高。

    1为热处 理前后焊接接头的屈服强度、抗拉强度、伸长率相关数据。保温0.5 h时屈服强度降低14.7%.抗拉强度降低16%.伸长率降低约14%;保温1.01.5 h时,屈服强度降低约40%,抗拉强度降低约3%;保温1.0 h时伸长率降低18%,保温1.5 h时伸长率提高约4%。可知去 应力退火后焊接接头的屈服强度、抗拉强度都有所降低,而不同 的热处理工艺下,焊接接 头的伸长率呈现不同的变化。去应力退火前,焊接接 头内部已经存在残余应力,与拉伸 载荷叠加作用于焊接接头,当残余 应力的方向与外载荷方向相反时,有助于 力学性能的提高;本次热 处理试验后抗拉强度和屈服强度都是降低的.说明去应力退火后,焊接件 平均残 余应力的方向与外载荷方向相同,同时由 于去应力退火过程中的应力松弛作用,随着保温时间的延长,焊接接 头的塑性先降低后升高。

3  结论

    (1)310S耐热不锈钢 管热处理过程中随着保温时间的延长,焊后残 余应力被消除的效果越好,由于降 温过程中材料屈服强度的提高,焊接接 头会存在热处理态的残余压应力。

    (2)310S耐热不锈钢 管去应力退火后,焊接接 头的硬度总体分伟规律不变;由于存 在热处理态残余压应力,去应力 退火后平均硅微硬度得以提高。

    (3)310S耐热不锈钢管去应力 退火不改变焊接接头的微观组织;去应力退火后,平均残 余应力的方向与外载荷方向相同,接头力 学性能有所降低。

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