304LN不銹鋼焊件控溫深冷處理工藝研究

李多，任國柱，富泉，楊曉峰，周鵬，馬東平

1.中國空氣動力研究與發(fā)展中心高速所 四川綿陽 621000

2.武漢重型機床集團有限公司 湖北武漢 430000

1 序言

某低溫項目為全304LN不銹鋼結(jié)構(gòu)，工作環(huán)境為-163～50℃，存在大量不銹鋼焊件以及高精度零件。當溫度降低至Ms點（過冷奧氏體開始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的溫度）以下并保持一定時間時，304LN不銹鋼組織內(nèi)的奧氏體會向馬氏體轉(zhuǎn)變，且這個轉(zhuǎn)變過程不可逆[1-5]，因此會對零件產(chǎn)生以下不利影響。

1）馬氏體的晶格比奧氏體略大，會造成零件體積膨脹，由膨脹產(chǎn)生的應力會造成零件變形，使尺寸精度變差。

2）焊件自帶一定的焊接殘余應力，焊接殘余應力疊加轉(zhuǎn)變過程中產(chǎn)生的熱應力和膨脹應力后，一旦超過屈服極限，就有可能產(chǎn)生裂紋，特別是在薄弱的焊縫處，這種缺陷若在設備工作時產(chǎn)生，則極有可能造成嚴重后果。

上述問題通常采用深冷處理方法解決，即通過深冷處理使奧氏體提前向馬氏體轉(zhuǎn)變，變形提前發(fā)生，然后通過精加工，保證零件組織和尺寸的相對穩(wěn)定性。但是，深冷處理過程中焊件的降溫速率對轉(zhuǎn)變過程中產(chǎn)生的熱應力有重要影響：降溫速率過快會導致熱應力過大，對大型焊件及高精度零件帶來損害；降溫速率過慢，會導致深冷處理時間延長，液氮消耗量加倍，增加成本。同時，深冷處理的降溫速率選擇也會改變焊件的力學性能[6-9]。

因此，有必要開展304LN不銹鋼焊件控溫深冷處理工藝研究，通過對不同降溫速率下深冷過程中焊件的熱應力和深冷前后的力學性能進行測試和分析，掌握控溫深冷處理的降溫、升溫速率，確定最佳深冷工藝曲線。

2 深冷處理速率對熱應力的影響

首先，通過試驗研究深冷處理速率對304L N不銹鋼焊件熱應力的影響。深冷處理在湖北工業(yè)大學深冷環(huán)境試驗箱G W X-3000中進行。該試驗箱由箱體和控制臺組成（見圖1），可通過控制臺調(diào)整液氮進氣量來控制降溫速率。選取2件400mm×400mm×40mm尺寸的304LN不銹鋼焊接鋼板（寬度方向中心有一條焊縫）作為試件，在每塊鋼板母材區(qū)、熱影響區(qū)、焊縫區(qū)分別布置了6個、6個、3個共3組應力傳感器（見圖2），降溫速率選用2℃/min、 5℃/min兩種處理方式。

圖1 深冷環(huán)境試驗箱GWX-3000

圖2 304LN不銹鋼焊件熱應力測點布置

第一個試件以2℃/min的降溫速率從室溫降至-163℃附近，保溫30min，再以2℃/min的速率升至常溫，重復3次。其降溫過程中的應力曲線如圖3所示，其中正值代表拉應力，負值代表壓應力。

從圖3可看出，因為降溫過程中的溫度不均，所以試件存在熱應力。熱應力隨溫度的變化呈現(xiàn)一定的非線性關(guān)系：在降溫初期熱應力增長較快，隨著時間推移，熱應力增長速率逐漸下降，曲線趨于平緩。試件邊緣產(chǎn)生拉應力，最大為+1.1MPa，中心產(chǎn)生壓應力，最大為-1.3MPa，這是因為邊緣和外層溫度較中心溫度更低，其收縮更為嚴重。而這種收縮受到中心部分的約束，導致中心部分受壓、邊緣部分受拉，其熱應力遠低于鋼材屈服強度。

圖3 2℃/min降溫速率下的應力曲線

為驗證試驗結(jié)果的準確性，采用有限元仿真方法開展了溫度場和應力場耦合分析，模擬試件降溫過程中溫度和熱應力變化，降溫速率為2℃/min，降溫時間為80min，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可看出，有限元仿真結(jié)果符合力學和熱學的一般原理，降溫結(jié)束后最大拉應力為+6.8MPa，位于模型邊緣，最大壓應力為-1.4MPa，位于模型中心。仿真結(jié)果與試驗結(jié)果趨勢一致，只是由于試件應變片安裝位置與邊緣還有一定距離，以及試件本身還存在其余的殘余應力影響，因此導致試驗結(jié)果較仿真結(jié)果數(shù)值略小。

圖4 2℃/min降溫速率下的有限元仿真應力云圖

第二個試件以5℃/min的降溫速率從室溫降至-163℃附近，保溫30min，再以5℃/min的速率升至常溫，重復3次。其降溫過程中的應力曲線如圖5所示，其中正值代表拉應力，負值代表壓應力。

圖5 5℃/min降溫速率下的應力曲線

從圖5可看出，降溫速率從2℃/m i n增大到5℃/m i n后，應力曲線變化規(guī)律基本一致，但熱應力數(shù)值明顯增加。試件邊緣產(chǎn)生最大拉應力為+3.2MPa，中心產(chǎn)生最大壓應力為-3.5MPa。

降溫速率為5℃/min，降溫時間為35min的有限元仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 5℃/min降溫速率下的有限元仿真應力云圖

從圖6可以看出，降溫速率從2℃/m i n增大到5℃/min后，模型表面的應力分布規(guī)律基本一致，最大拉應力為+18.4MPa，位于模型邊緣，最大壓應力為-3.65MPa，位于模型中心。

對比可知，在降溫速率由2℃/min改為5℃/min后，更快的降溫速率使試件溫度不均的情況加劇，邊緣和外層相比中心的溫差更大，導致熱應力值有明顯提高。

3 深冷處理速率對力學性能的影響

選用未深冷處理、2℃/min、 5℃/min、浸泡深冷處理4種試件，分別進行抗拉強度、低溫沖擊性能對比，以研究深冷處理速率對304LN焊件力學性能的影響。

根據(jù)G B/T 2975—2018《鋼及鋼產(chǎn)品力學性能試驗取樣位置及試樣制備》、GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》，分別在母材區(qū)、熱影響區(qū)、焊縫區(qū)各取3個拉伸試樣，委托專業(yè)測試機構(gòu)對深冷處理前后的試樣進行拉伸試驗，結(jié)果見表1。

從表1可看出，經(jīng)過深冷處理后，試件的抗拉強度得到了小幅增強，其中降溫速率為5℃/min的試件抗拉強度值最高，達到了586.1MPa，較未深冷試件的抗拉強度提高了3.8%，但不同的深冷處理降溫速率對試件的抗拉強度影響不大。

表1 不同降溫速率下試樣拉伸試驗結(jié)果

根據(jù)G B/T 2975—2018《鋼及鋼產(chǎn)品力學性能試驗取樣位置及試樣制備》、GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗方法》，分別在母材區(qū)、熱影響區(qū)、焊縫區(qū)各取3個沖擊試樣，委托專業(yè)測試機構(gòu)對試樣進行低溫沖擊試驗，結(jié)果見表2。

表2 不同降溫速率下低溫沖擊試驗結(jié)果

從表2可知，無論是否進行深冷處理，母材區(qū)、熱影響區(qū)的試樣都未沖斷，說明304LN不銹鋼材料具有很好的韌性（測試機構(gòu)試驗設備的最大量程為300J；未沖斷表示該試樣的低溫沖擊吸收能量在300J以上）。焊縫區(qū)的試樣均被沖斷。通過對比得出，經(jīng)過深冷處理后，試件的低溫沖擊吸收能量均得到了增強，其中降溫速率為2℃/min的試件低溫沖擊吸收能量值最高，達到了39.4J，較未深冷試件的低溫沖擊吸收能量提高了33%。最終的控溫深冷處理溫度曲線如圖7所示。

圖7 控溫深冷處理溫度曲線

4 結(jié)束語

1）在降溫過程中，由于鋼板邊緣和中心存在溫度差異，導致試件中出現(xiàn)熱應力，在試件邊緣呈現(xiàn)拉應力，中心部位則為壓應力。熱應力隨溫度的變化呈現(xiàn)一定的非線性關(guān)系，在降溫初期熱應力增長較快，隨著時間推移，熱應力增長速率逐漸下降，曲線趨于平緩。試件的熱應力隨著降溫速率的提高而增大，針對文中的測試樣本，采取2℃/min和5℃/min兩種降溫方式所引起試件中的最大拉應力+18.4MPa和最大壓應力-3.65MPa，均遠低于鋼材屈服強度。

2）經(jīng)過深冷處理后，試件的抗拉強度和低溫沖擊性能都得到了一定程度的提高，由此可知深冷處理可作為304LN不銹鋼增強和增韌處理方法，并以2℃/min進行深冷處理可較大程度地提高材料的綜合力學性能。

3）為保證該低溫項目中大尺寸高精度核心零件的安全性，深冷處理過程中的熱應力要盡可能小，因此以2℃/min的降溫速率進行深冷處理是相對較優(yōu)的選擇，這樣可在降低熱應力的同時還能有效增強304LN不銹鋼焊件的力學性能。