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    去應力退火處理對310S耐熱不銹鋼管焊接接頭殘余應力與力學性能的影響

    來源:至德鋼業 日期:2020-11-09 03:26:44 人氣:578

     浙江至德鋼業有限公司采用鎢極氬弧焊對310S耐熱不銹鋼管進行焊接試驗,并對其接頭進行去應力退火處理,采用金相顯微鏡、殘余應力儀、拉伸試驗機等測試熱處理前后焊接接頭的顯微組織、力學性能與殘余應力演變規律。結果表明:在600℃進行退火處理時,隨著保溫時間的增加,310S耐熱不銹鋼管殘余應力被消除的程度逐漸加大;由于去應力退火溫度表達到其再結晶溫度,因此,熱處理后310S耐熱不銹鋼管焊接接頭的顯微組織與力學性能變化不明顯。

        

     310S耐熱不銹鋼管以其高的熱強性、較高的耐腐蝕性及良好的綜合力學性能.被廣泛用于制造鍋爐過熱器管、主蒸汽管道、閥體、燃氣輪機葉片及其他高溫抗氧化結構部件。但于其熱膨脹系數較高,其焊接件往往存在較大的焊接殘余應力,在實際使用中殘余應力和外載荷共同作用將會降低焊接件的力學性能和使用壽命。目前,消除焊接殘余應力的常用手段主要有錘擊法、熱處理法、振動法等;但錘擊法使用范圍具有很大的局限性,振動法成本較高,而熱處理法以其操作較簡單、成本相對較低、去應力效果良好等優點,成為消除焊接接頭殘余應力的常用方法。


     因此,至德鋼業以310S耐熱不銹鋼管為母材,采用TIG焊技術對其進行焊接試驗.并對其進行不同的去應力退火處理,探索熱處理消除殘余應力的機理及熱處理對焊接接頭力學性能的影響規律。


    一、試驗

      

     以310S耐熱不銹鋼管為母材進行TIG焊試驗,試樣尺寸為100mmx80mmx3mm,焊接電流為140 A,焊接速度為0.32 m/min.送絲速度為0.32 m/min。去應力退火處理方案如圖1所示,退火溫度為600℃,保溫時間分別為0.5,1.0,J.5 h。采用X-350A型X射線殘余應力儀進行焊接接頭殘余應力測試.測試點的分布如圖2所示,每個點測試3次,然后取其平均值。采用DMT3000M型光學金相顯微鏡觀察熱處理自可后焊接接頭顯微組織演變規律,腐蝕劑為王水。采用HVS-1000Z型顯微硬度計測試焊接接頭顯微硬度應變規律。對熱處理前后的焊接接頭進行拉伸試驗,每種性能的接頭測試3個,然后取其均值為最后結果。


    二、結果分析與討論


     1. 焊接接頭的顯微組織


      圖為焊接接頭示意圖,z方向為焊絲移動方向,截取xy截面的焊縫進行焊縫組織觀察。熔焊過程中,母材局部區域熔化與熔化了的焊絲混合形成焊接熔池。在過冷的條件下,熔池金屬凝同,同時結晶過程中伴隨著晶核的形成與長大。由于焊接熔池小,冷卻速度快,過冷度較大,,所以在凝固過程中晶粒的非自發形核占主導地位m。焊縫金屬非自發形核開始于熔池邊界的晶粒表面,以柱狀晶的形態向焊縫中心區域生長。.如圖4a所示為熱處理前的焊縫中心區域組織,母材是310S鋼,焊縫金屬凝固過程中直接從液態金屬中析出一次Y相,并保留至室溫。焊接時焊絲沿著z方向以一定的速度移動,在焊縫熔池金屬凝固過程中,晶粒傾向于沿著垂直于熔池邊界的方向生長,、因為這個方向具有最大的溫度梯度,散熱最快,同時焊縫中心的溫度過高不利于自發形核,為柱狀樹枝品的生長提供了優勢;晶粒從靠近熔合線處的母材上聯生地向焊縫中心處長大起來。如圖4b,4c,4d所示分別為去應力退火過程中保溫0.5,10,1.5 h后的焊縫組織,310S耐熱不銹鋼管由于去應力退火溫度600℃為未達到再結晶溫度,所以熱處理后焊縫的基本組織不變。


     2. 焊接接頭殘余應力


     焊接殘余應力是焊接件不可避免的缺陷,焊接時的局部不均勻熱輸入是產生焊接殘余應力的主要影響因素。焊后熱處理是消除焊接殘余應力的有效措施,焊后熱處理主要包括加熱和保溫兩個階段,隨著加熱溫度的提高.焊接殘余應力隨著材料屈服點的降低而降低,當達到熱處理的溫度時,殘余應力降低到材料在此溫度的屈服點以下,在以后的保溫過程中殘余應力會因應力松弛而得到釋放。


     如圖所示,310S耐熱不銹鋼管焊接接頭的縱向殘余應力和橫向殘余應力在熱處理后都有所降低;隨著保溫時間的不同,殘余應力被釋放的效果也不同,如圖所示,.焊縫中心處的橫向殘余應力熱處理前為拉應力184 MPa,退火時保溫0.5 h變為壓應力68 MPa,保溫1.0 h變為壓應力166 MPa.保溫1.5 h變為壓應力13 MPa;如圖5b所示,焊縫中心處的縱向殘余應力熱處理前為拉應力200 MPa,退火時保溫0.5 h變為壓應力49 MPa,保溫10 h變為拉應力123MPa,保溫1.5 h變為壓應力61 MPa??梢姛崽幚韺附咏宇^的殘余應力消除效果是比較明顯的,考慮到不同的熱處理工藝針對不同的焊接件,殘余應力選取點的差異性會影響測試結果的規律性,但總體趨勢是隨著保溫時間的延長,殘余應力被消除得越明顯,同時由于熱處理冷卻過程中,隨著溫度的降低,材料的屈服強度提高,導致應力值回升,所以熱處理后存在熱處理態殘余應力,本次試驗主要存在熱處理態殘余壓應力。


     3. 力學性能


     圖為熱處理前后焊接接頭的硬度變化曲線.熱處理前各區域的硬度變化規律為:由焊縫區到熔合區硬度升高,過熱區硬度降低,到正火區硬度升高,再到部分相變區硬度再次降低,由于各個區域具有不同的顯微組織決定了各個區域具有不同的顯微硬度值,由于熔合區成分和組織的不均勻性,存在大量碳化物的聚集,使熔合區硬度顯著地增高,過熱區具有粗大的晶粒組織,使硬度降低,而正火區一般具有細小的晶粒組織,使硬度得以升高,而部分相變區的組織存在嚴重的不均勻性.則硬度再次降低。


     焊件熱處理后,焊接接頭各個區域顯微硬度的整體變化趨勢和熱處理前是一致的,去應力退火不改變焊接接頭的微觀組織.對焊接接頭的硬度變化規律不會產生影響,但熱處理后的焊接件平均顯微硬度比熱處理前的硬度值要高,這是由于熱處理后焊接接頭區依舊存在熱處理態殘余壓應力,接頭區存在彈性應變場有助于硬度的提高.同時熱處理過程中不同的保溫時間對硬度的影響效果也不同.保溫1.5 h焊接接頭的平均硬度要高,主要原因是保溫1.0小時焊接接頭區的平均殘余壓應力數值較大,則硬度值就較高。


     表為熱處理前后焊接接頭的屈服強度、抗拉強度、伸長率相關數據。保溫0.5小時屈服強度降低14.7%.抗拉強度降低16%.伸長率降低約14%;保溫1.0,1.5小時,屈服強度降低約40%,抗拉強度降低約3%;保溫1.0 小時伸長率降低18%,保溫1.5小時伸長率提高約4%??芍ν嘶鸷蠛附咏宇^的屈服強度、抗拉強度都有所降低,而不同的熱處理工藝下,焊接接頭的伸長率呈現不同的變化。去應力退火前,焊接接頭內部已經存在殘余應力,與拉伸載荷疊加作用于焊接接頭,當殘余應力的方向與外載荷方向相反時,有助于力學性能的提高;本次熱處理試驗后抗拉強度和屈服強度都是降低的.說明去應力退火后,焊接件平均殘余應力的方向與外載荷方向相同,同時由于去應力退火過程中的應力松弛作用,隨著保溫時間的延長,焊接接頭的塑性先降低后升高。


    三、結論


     1. 310S耐熱不銹鋼管熱處理過程中隨著保溫時間的延長,焊后殘余應力被消除的效果越好,由于降溫過程中材料屈服強度的提高,焊接接頭會存在熱處理態的殘余壓應力。


     2. 310S耐熱不銹鋼管去應力退火后,焊接接頭的硬度總體分偉規律不變;由于存在熱處理態殘余壓應力,去應力退火后平均硅微硬度得以提高。


     3. 310S耐熱不銹鋼管去應力退火不改變焊接接頭的微觀組織;去應力退火后,平均殘余應力的方向與外載荷方向相同,接頭力學性能有所降低。


    本文標簽:耐熱不銹鋼管 

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