304LN奧氏體不銹鋼焊接件的去應(yīng)力退火工藝研究

李多，周榮田，楊曉峰，江水，趙寬，陶則旭

1.中國空氣動力研究與發(fā)展中心高速所 四川綿陽 621000

2.武漢重型機(jī)床集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430000

1 序言

某全不銹鋼結(jié)構(gòu)特種非標(biāo)承壓設(shè)備采用304LN奧氏體不銹鋼（以下簡稱304LN）材料焊接而成，對于焊接件通常采用去應(yīng)力退火工藝來消除焊接殘余應(yīng)力。NB/T 47015—2011《壓力容器焊接規(guī)程》中沒有關(guān)于奧氏體不銹鋼具體的去應(yīng)力退火規(guī)范，且該設(shè)備工作環(huán)境及使用要求的特殊性，對零件的結(jié)構(gòu)精度、尺寸穩(wěn)定性要求較高，因此必須進(jìn)行焊后去應(yīng)力退火。為此，需要對304LN焊接件的去應(yīng)力退火工藝進(jìn)行研究，為后續(xù)去應(yīng)力退火工作提供理論支撐。

2 前期調(diào)研

在焊接加熱和冷卻過程中，焊接接頭區(qū)域因不能自由收縮而產(chǎn)生熱應(yīng)力，同時接頭處有金相組織轉(zhuǎn)變，因此焊接殘余應(yīng)力既有相變應(yīng)力也有熱應(yīng)力。焊后熱處理消除殘余應(yīng)力方法可分為加熱和保溫兩個過程，在加熱過程中焊接殘余應(yīng)力隨材料屈服強(qiáng)度的降低而降低，達(dá)到焊后熱處理溫度后，殘余應(yīng)力被削減到材料在此溫度的屈服強(qiáng)度以下；在保溫過程中由于高溫松弛殘余應(yīng)力得到充分釋放，所以隨溫度的升高材料的屈服強(qiáng)度降低[1]。有研究表明，焊后消除殘余應(yīng)力主要因素是加熱溫度[2-8]，如果降低溫度，即使延長保溫時間，也達(dá)不到充分消除殘余應(yīng)力的效果。

前期對304LN焊接件去應(yīng)力處理進(jìn)行了500～750℃的退火工藝（按50℃進(jìn)檔）研究，比較了焊態(tài)與各檔熱處理狀態(tài)下焊縫金屬的微觀金相組織及沖擊性能。研究結(jié)果顯示：焊接接頭在650℃退火后，試樣的沖擊性能降低，晶界附近開始出現(xiàn)少量析出物；當(dāng)退火溫度高于650℃時，晶界附近析出物逐漸增多。因此，本文將304LN焊接件焊后去應(yīng)力退火溫度限制在600℃以下。

3 研究目的

通過開展304LN焊接接頭去應(yīng)力退火試驗(yàn)，要達(dá)到以下研究目的。

1）掌握304LN焊接接頭在不同焊后去應(yīng)力退火溫度下，殘余應(yīng)力變化規(guī)律。

2）掌握304LN焊接接頭在不同焊后去應(yīng)力退火溫度下，抗拉強(qiáng)度變化規(guī)律。

3）掌握304LN焊接接頭在不同焊后去應(yīng)力退火溫度下，硬度變化規(guī)律。

4）確定304LN焊接接頭去應(yīng)力退火工藝曲線。

4 304LN接頭去應(yīng)力退火試驗(yàn)方案

4.1 去應(yīng)力退火工藝確定

（1）去應(yīng)力退火溫度擬定 根據(jù)前期的調(diào)研將熱處理溫度設(shè)定為550～600℃（每10℃為一個溫度梯度）。

（2）熱處理時間-溫度曲線 根據(jù)前期調(diào)研確定焊接接頭熱處理工藝。①以350℃/h的升溫速度從室溫升高到400℃（樣品在360℃入爐）。②隨后以120℃/h的升溫速度達(dá)到目標(biāo)溫度，在該溫度下保溫1h。③隨爐冷卻至400℃，然后在靜止的空氣中冷卻。

4.2 試驗(yàn)對象

因該設(shè)備中大部分零件焊縫厚度約為4 0 m m，故試驗(yàn)件選取材料為3 0 4 L N、規(guī)格為400m m×200m m×40m m的鋼板20件，兩兩對接并按照相關(guān)焊接工藝規(guī)程焊成1 0 塊規(guī)格為400mm×400mm×40mm的試件（見圖1），選取其中6件進(jìn)行分析。

圖1 焊接試件

4.3 試驗(yàn)設(shè)備及性能檢測方法

（1）熱處理設(shè)備 采用武漢亞華電爐廠SK2-10-128型熱處理爐，如圖2所示，性能參數(shù)見表1。

表1 熱處理爐性能參數(shù)

圖2 熱處理爐

（2）應(yīng)力檢測方法 從6件試件中各取1個100mm×80mm×40mm的試樣，取樣位置如圖3所示。通過X射線衍射法測量試樣焊縫、熱影響區(qū)及母材的殘余應(yīng)力，參考GB/T 7704—2017《無損檢測 X射線應(yīng)力測定方法》，每個區(qū)域測試3個點(diǎn)，取其平均值作為殘余應(yīng)力的數(shù)值。分別測出6個試樣550℃、560℃、570℃、580℃、590℃、600℃熱處理前后的殘余應(yīng)力，其測試點(diǎn)分布如圖4所示。采用MG30P 應(yīng)力測試系統(tǒng)，如圖5所示。

圖3 應(yīng)力測試取樣位置

圖4 應(yīng)力測試點(diǎn)分布

圖5 MG30P應(yīng)力測試系統(tǒng)

（3）焊接接頭拉伸性能檢測 拉伸試樣取樣位置如圖6所示，根據(jù)GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》確定拉伸試樣尺寸（見圖7）。分別對未進(jìn)行熱處理以及經(jīng)550℃、560℃、570℃、580℃、590℃、600℃熱處理后的焊接接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)采用M-4100微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)（見圖8）。

圖6 拉伸試樣取樣位置

圖7 拉伸試樣

圖8 M-4100微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)

（4）硬度檢測 考慮到焊縫尺寸較大，且焊縫兩側(cè)的硬度呈對稱分布，因此只取焊縫一側(cè)做硬度測試，硬度試樣取樣位置如圖9所示，試樣尺寸如圖10所示。對未進(jìn)行熱處理的焊接接頭及經(jīng)550℃、560℃、570℃、580℃、590℃、600℃熱處理后焊接接頭共計7組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)取1個樣品，每隔2mm測量一個點(diǎn)，載荷為1kg（9.8N），保壓時間為12s，設(shè)備型號為DHV-1000。

圖9 硬度試樣取樣位置

圖10 硬度試樣尺寸

5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

5.1 不同熱處理溫度對焊接接頭殘余應(yīng)力的影響

對經(jīng)過不同溫度熱處理的試樣，測量其表面焊縫區(qū)、熱影響區(qū)、母材區(qū)的殘余應(yīng)力，每個區(qū)域取3個點(diǎn)，取其平均值；以與焊縫表面垂直的面為截面，測量截面焊縫區(qū)、熱影響區(qū)、母材區(qū)的殘余應(yīng)力，每個區(qū)域取3個點(diǎn)，分析時取其平均值。熱處理前后應(yīng)力值及其消減程度如圖11~圖17所示。由于焊縫表面凹凸不平，應(yīng)力測試結(jié)果誤差波動范圍較大，沒有參考價值，因此未采用焊縫表面應(yīng)力值。

圖17 截面焊縫區(qū)、熱影響區(qū)、母材區(qū)熱處理前后應(yīng)力消減程度

表面熱影響區(qū)中，不同退火溫度試樣的初始應(yīng)力狀態(tài)存在拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，其中550℃、560℃、570℃、580℃試樣的初始狀態(tài)為拉應(yīng)力，590℃、600℃試樣為壓應(yīng)力。從圖11中可看出，在570℃時拉應(yīng)力消減程度最大，能達(dá)到92.04%；當(dāng)初始焊接應(yīng)力狀態(tài)為拉應(yīng)力時，隨著溫度的升高，拉應(yīng)力消減程度不斷增大；當(dāng)初始焊接應(yīng)力狀態(tài)為壓應(yīng)力時，隨著溫度的升高，壓應(yīng)力削減程度增大，但是相對拉應(yīng)力的削減程度，壓應(yīng)力的削減程度較小。主要是因?yàn)?70℃時應(yīng)力消減程度已經(jīng)達(dá)到了92.04%，消減了絕大部分的拉應(yīng)力。

圖11 表面熱影響區(qū)熱處理前后應(yīng)力狀態(tài)

圖14 截面焊縫區(qū)熱處理前后應(yīng)力狀態(tài)

圖15 截面熱影響區(qū)熱處理前后應(yīng)力狀態(tài)

圖16 截面母材區(qū)熱處理前后應(yīng)力狀態(tài)

如圖12所示，表面母材區(qū)為試樣原始軋制后的表面，其初始應(yīng)力狀態(tài)為壓應(yīng)力，經(jīng)不同溫度退火處理后，在一定的誤差范圍內(nèi)，壓應(yīng)力較退火處理前有所升高，且隨著溫度的升高，壓應(yīng)力升高程度呈現(xiàn)出不斷減小的趨勢。從母材應(yīng)力值來看（見圖13），有部分應(yīng)力值在退火處理后超過300MPa，根據(jù)表面分布著13～300MPa 不等的殘余壓應(yīng)力有利于提高產(chǎn)品疲勞壽命理論[3]，應(yīng)對軋制態(tài)表面進(jìn)行磨削處理，防止退火后應(yīng)力值升高超過安全范圍。

圖12 表面焊縫母材區(qū)熱處理前后應(yīng)力狀態(tài)

圖13 表面熱影響區(qū)、母材區(qū)熱處理前后應(yīng)力削減程度

因?yàn)榻孛娴募庸し绞綖榫€切割加工后采用磨床進(jìn)行磨削加工，所以試樣截面引入了磨削加工產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力。由圖17可知，在一定的誤差范圍內(nèi)，退火處理對磨削加工產(chǎn)生的壓應(yīng)力均能起到削減的作用，但削減程度較小，整體削減程度在40%以內(nèi)。其中，截面焊縫區(qū)的壓應(yīng)力削減程度，隨著溫度的升高變化趨勢不明顯；560℃和570℃熱處理后截面熱影響區(qū)的壓應(yīng)力削減程度明顯高于截面整體削減程度，分別達(dá)到66.85%、95.34%；溫度對截面母材區(qū)的壓應(yīng)力的影響不太明顯，壓應(yīng)力的增加和削減在較小的范圍內(nèi)波動，隨著退火溫度的增加，截面母材區(qū)壓應(yīng)力削減程度呈現(xiàn)增大趨勢。

另外，經(jīng)不同溫度退火處理后，截面三個區(qū)域的壓應(yīng)力值基本都處在13～300MPa之間。有研究表明，表面分布著13～300MPa不等的殘余壓應(yīng)力，其作用不僅可抵消循環(huán)載荷中的部分應(yīng)力，還可將受力最大的位置從表面轉(zhuǎn)移到次表面，顯著提高疲勞壽命[3]。因此，綜合考慮退火處理后應(yīng)力值和應(yīng)力削減程度，較優(yōu)化的熱處理溫度為570℃。

5.2 不同熱處理溫度對焊接接頭拉伸性能的影響

分別對未進(jìn)行熱處理焊接接頭、5 5 0 ℃、560℃、570℃、580℃、590℃、600℃熱處理后焊接接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸試樣如圖18所示，拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖18 試樣拉伸前及試樣拉伸后

不同處理狀態(tài)樣品的強(qiáng)塑積未呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律，但都在小范圍內(nèi)波動。其中，抗拉強(qiáng)度為595～615MPa，并且峰值抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)在560℃退火處理后的樣品中，達(dá)到614.124MPa；伸長率為42%～52%，未處理狀態(tài)的樣品伸長率最高，為51.023%，其次為600℃退火處理后的伸長率51.01%，560℃處理后的焊接接頭伸長率為49.45%；另外，強(qiáng)塑積為工程中用于評價工件強(qiáng)度和塑性綜合性能的指標(biāo)，指標(biāo)越高，強(qiáng)度和塑性綜合性能越好，未處理狀態(tài)、560℃退火處理后、600℃退火處理后的強(qiáng)塑積均超過了30000MPa·%，均具有較好的強(qiáng)度和塑性綜合性能。

5.3 不同熱處理溫度對焊接接頭硬度的影響

對未進(jìn)行熱處理的焊接接頭及經(jīng)5 5 0 ℃、560℃、570℃、580℃、590℃、600℃熱處理后焊接接頭共計7組試件，每個試件取1個樣品，每隔2mm打一個點(diǎn)測試硬度，硬度分布如圖19所示。

圖19 不同處理狀態(tài)樣品的硬度分布

從圖19可看出，硬度在焊縫區(qū)、熱影響區(qū)、母材區(qū)整體呈現(xiàn)出不斷降低的趨勢，且焊縫區(qū)和母材區(qū)的硬度差約為30HV，未處理態(tài)硬度波動較大，經(jīng)過退火后硬度下降變得均勻一些。

6 結(jié)束語

1）熱處理對殘余拉應(yīng)力有較強(qiáng)的消減能力，隨著溫度的增加，拉應(yīng)力消減程度增加，550～570℃已經(jīng)消減了絕大部分拉應(yīng)力；熱處理對壓應(yīng)力的消減能力較低。

2）拉伸斷裂區(qū)域均在母材區(qū)，表明焊接接頭的強(qiáng)度高于母材?？估瓘?qiáng)度均為595～615MPa，伸長率為42%～52%。當(dāng)退火溫度為560℃時，其強(qiáng)度達(dá)到了614MPa，伸長率為49.45%，保持了較高的強(qiáng)塑積與較好的力學(xué)性能。

3）在不考慮材料力學(xué)性能的情況下，綜合考慮退火處理后應(yīng)力值和應(yīng)力削減程度，當(dāng)退火溫度為570℃時，去應(yīng)力效果最佳。