李衛(wèi)東，李婧，趙向南，丁紫陽（.河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院，鄭州45006；.河南省煤科院耐磨技術(shù)有限公司，鄭州45000）

低溫?zé)崽幚韺?duì)202不銹鋼電阻焊焊接接頭組織和性能的影響

李衛(wèi)東1，李婧1，趙向南1，丁紫陽2
（1.河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院，鄭州450016；2.河南省煤科院耐磨技術(shù)有限公司，鄭州450001）

摘要：采用低溫?zé)崽幚淼姆椒ㄌ幚?02不銹鋼電阻焊焊接接頭，并且對(duì)熱處理后的焊接接頭進(jìn)行金相采集、拉伸試驗(yàn)、磨損試驗(yàn)、抗疲勞性能測(cè)試.實(shí)驗(yàn)表明：隨著保溫溫度的升高，焊縫晶粒尺寸逐漸細(xì)化，且溫度對(duì)組織的影響大于時(shí)間的影響，疲勞壽命隨著熱處理溫度和時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增大，380℃達(dá)到或者接近消除焊接應(yīng)力所需的焊接溫度.

關(guān)鍵詞：低溫?zé)崽幚恚徊讳P鋼；電阻焊；焊接接頭；顯微組織

不銹鋼由于電阻率高、線膨脹系數(shù)大、熱導(dǎo)率低等特點(diǎn)，使其在焊接過程中容易發(fā)生焊接變形且焊接接頭會(huì)產(chǎn)生較為敏感的熱裂紋傾向，故不銹鋼的焊接方式、工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭影響很大.生產(chǎn)實(shí)踐表明，不銹鋼很適合電阻焊[1-3].電阻焊是將工件組合后置于兩電極之間施加一定壓力，并對(duì)需要焊接處通以強(qiáng)大電流，利用工件電阻產(chǎn)生的電阻熱效應(yīng)將其加熱到熔化狀態(tài)，斷電后，在壓力的作用下實(shí)現(xiàn)金屬結(jié)合，從而形成牢固焊接接頭的一種連接方法[4-5].202不銹鋼是目前比較常用的一種不銹鋼，主要應(yīng)用在建筑裝飾、市政工程等領(lǐng)域，通過電阻焊加工成各種產(chǎn)品[6-7].然而，焊接過程中焊接應(yīng)力很難避免，焊接應(yīng)力的存在會(huì)導(dǎo)致焊接區(qū)的韌性和塑性較低，降低產(chǎn)品使用壽命.為了消除減小焊接應(yīng)力，提高焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和疲勞壽命，需要對(duì)焊接接頭進(jìn)行焊后熱處理.本文以202不銹鋼為研究對(duì)象，研究了低溫?zé)崽幚韺?duì)202不銹鋼焊接接頭的組織和性能的影響.

1　試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選用202不銹鋼圓絲，其化學(xué)成分如表1.

表1　試驗(yàn)用202不銹鋼化學(xué)成分Table 1 The chemical compositions of 202 stainless steel in experiment

1.2試驗(yàn)過程

將電阻焊焊接后的202不銹鋼圓絲按照不同的熱處理工藝在SX-4-10箱式電阻爐中進(jìn)行焊后熱處理.其熱處理分別采取如下工藝參數(shù)：熱處理溫度為260℃、325℃、380℃時(shí)，保溫時(shí)間分別為：2 h、2.5 h、3 h℃.即共9組對(duì)比實(shí)驗(yàn).具體熱處理工藝如圖1.

圖1　低溫?zé)崽幚砉に嘑ig.1 Process of low temperature heat treatment

將熱處理后的202不銹鋼焊接接頭依次進(jìn)行取樣、鑲樣、人工研磨、機(jī)械拋光、電解拋光后，采用OLYMPVS（BH-2）金相顯微鏡觀察電阻焊焊縫的顯微組織.

采用島津SHIMADZU（AG-1C）50KN立式電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量熱處理前后202不銹鋼電阻焊焊縫的拉伸性能，拉伸速度為1 mm/min.

磨損試驗(yàn)采用低應(yīng)力磨損試驗(yàn)機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖2.

圖2　低應(yīng)力磨損試驗(yàn)機(jī)簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)Fig.2 Simple chart of low stress wear tester

抗疲勞性能測(cè)試所用試驗(yàn)儀器為滾動(dòng)式疲勞試驗(yàn)機(jī)[8-9].該試驗(yàn)機(jī)是在低應(yīng)力磨損試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)上改裝而成.具體試驗(yàn)方法是首先用電阻焊制得焊接試樣，然后將各試樣進(jìn)行取樣，本文所采用的試樣長(zhǎng)度為30 cm，將各待測(cè)試樣放在試驗(yàn)機(jī)的工作位置.試驗(yàn)機(jī)的轉(zhuǎn)盤上固定著由硬橡膠彈性板和鋼板組合而成的小錘，用小錘敲擊試樣，來模擬試樣所承受的工況，疲勞試驗(yàn)機(jī)的轉(zhuǎn)速保持不變，反復(fù)敲擊試樣直至試樣斷裂為止.敲擊過程中，每間隔3 h重新固定試樣，保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確有效進(jìn)行.每組疲勞試樣測(cè)量3~ 5次，取其平均值，用于后續(xù)的分析對(duì)比.

圖3　260℃下不同保溫時(shí)間處理后的焊縫組織Fig.3 Weld microstructure of different holding time at 260℃

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1低溫?zé)崽幚韺?duì)202不銹鋼電阻焊焊縫組織的影響

不同低溫?zé)崽幚砉に囂幚砗蟮暮缚p組織如圖3.

由圖3可以看出，在熱處理溫度為260℃時(shí)，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，焊縫晶粒尺寸雖然有所細(xì)化，但是晶間碳化物卻逐漸增大，其原因可能是顯微組織中低熔點(diǎn)雜質(zhì)聚集晶界.

由圖4可以看出，在熱處理溫度為325℃時(shí)，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，焊縫晶粒尺寸明顯細(xì)化，且顯微組織中低熔點(diǎn)雜質(zhì)和晶間碳化物逐漸減少，碳化物尺寸趨于一致并分布更加均勻.

由圖5可以看出，在熱處理溫度為380℃時(shí)，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，焊縫晶粒尺寸先減小然后再長(zhǎng)大.在380℃保溫3 h后，晶粒有了較為明顯的長(zhǎng)大.其可能原因是：在較低溫度熱處理時(shí)，變形量較小的202不銹鋼，由于形變儲(chǔ)能較低，致使無法在低溫短時(shí)間內(nèi)提供足夠的晶界遷移驅(qū)動(dòng)力，導(dǎo)致晶界的遷移反應(yīng)過慢[10-11].同時(shí)在低溫短時(shí)間的退火過程中，晶界也會(huì)由于碳化物及低熔點(diǎn)化合物的釘扎作用而很難遷移，而低熔點(diǎn)化合物溶解也需要一定時(shí)間，所以，需要在較高溫度較長(zhǎng)時(shí)間的退火下才能促使晶界更好的遷移，以優(yōu)化組織晶粒分布.隨著溫度的升高，過?？瘴坏南Р殡S了原子的偏聚和有害雜質(zhì)氣體的逸出，所以熔合區(qū)晶粒隨著保溫溫度的上升和保溫時(shí)間的增加，略有細(xì)化[12].但在380℃保溫3 h后熔合區(qū)晶粒開始有了較為明顯增大，這主要是因?yàn)楫?dāng)偏聚區(qū)達(dá)到穩(wěn)定或亞穩(wěn)定尺寸和密度時(shí)，偏聚區(qū)長(zhǎng)大將中止，隨之原子的偏聚也將停止，并隨保溫時(shí)間的增長(zhǎng)而長(zhǎng)大.

對(duì)比圖3、圖4、圖5可以看出，隨著保溫溫度的升高，202不銹鋼焊縫晶粒尺寸逐漸細(xì)化，且顯微組織中低熔點(diǎn)雜質(zhì)和晶間碳化物逐漸減少.相比保溫溫度而言，保溫時(shí)間對(duì)焊縫組織的影響相對(duì)較小.綜上，對(duì)于202不銹鋼的焊后熱處理，起主要作用的是加熱溫度，如果加熱溫度達(dá)不到規(guī)范溫度，即使延長(zhǎng)保溫時(shí)間，也難以達(dá)到充分消除殘余應(yīng)力的目的.

2.2低溫?zé)崽幚韺?duì)202不銹鋼電阻焊焊接接頭力學(xué)性能的影響

202不銹鋼采用不同低溫?zé)崽幚砉に囂幚砗蟮牧W(xué)性能如表2.

圖4　325℃下不同保溫時(shí)間處理后的焊縫組織Fig.4 Weld microstructure of different holding time at 325℃

圖5　380℃下不同保溫時(shí)間處理后的焊縫組織Fig.5 Weld microstructure of different holding time at 380℃

由表2可以看出，熱處理溫度為260℃時(shí)，隨著保溫時(shí)間的增長(zhǎng)，其抗拉強(qiáng)度和疲勞壽命均有一定程度的提高，但是變化范圍并不大，說明在260℃并沒有達(dá)到消除焊接應(yīng)力所需的規(guī)范溫度.這主要是因?yàn)楫?dāng)材料熱處理時(shí)，如果熱處理所設(shè)置的溫度低于材料所需的規(guī)范溫度，則保溫時(shí)間對(duì)殘余應(yīng)力的影響很小，即延長(zhǎng)熱處理的保溫時(shí)間無法顯著消除焊接殘余應(yīng)力[13-15].熱處理溫度為380℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度和疲勞壽命相比處理之前均提高了很多，說明在380℃已達(dá)到或者接近消除焊接應(yīng)力所需的熱處理溫度，由于晶粒的細(xì)化，隨著晶間碳化物和低熔點(diǎn)雜質(zhì)的減少，焊接各組織中空位、位錯(cuò)等缺陷密度的下降，應(yīng)力集中得以逐漸消除，焊件的抗拉強(qiáng)度和疲勞壽命均有大幅提高.在380℃保溫2.5 h下，抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值，但在380℃保溫3 h下，試樣的抗拉強(qiáng)度卻出現(xiàn)了下降，這是因?yàn)楹缚p的晶粒在此時(shí)較之以往出現(xiàn)了粗化，導(dǎo)致了焊縫晶粒之間結(jié)合力降低.而疲勞壽命，則隨著溫度和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，焊件得以軟化，焊接應(yīng)力有了較大的消除，疲勞壽命則隨之逐漸增大.

表2　202不銹鋼采用不同低溫?zé)崽幚砉に囂幚砗蟮牧W(xué)性能Table 2 Mechanical properties of 202 stainless steel using different low-temperature heat treatment

3　結(jié)　論

1）202不銹鋼的低溫?zé)崽幚砉に噷?duì)焊接接頭組織影響很大，且加熱溫度對(duì)組織的影響大于加熱時(shí)間的影響.

2）202不銹鋼的疲勞壽命隨著熱處理保溫溫度和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增大，力學(xué)性能得到改善，且抗拉強(qiáng)度和疲勞壽命在380℃時(shí)提高很多，達(dá)到或者接近消除焊接應(yīng)力所需的焊接溫度.

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Effects of low temperature heat treatment on electric resistance welded joints microstructure and properties of 202 stainless steel

LI Weidong1, LI Jing1, ZHAO Xiangnan1, DING Ziyang2
（1.Henan Boiler and Pressure Vessel Safety Inspection Institute, Zhengzhou 450016,China;
2.Henan Mei-ke-yuan Wear-resisting Technology Co., Ltd, Zhengzhou 450001, China）

Abstract:The electric resistance welded joints of 202 stainless steel were treated with low temperature heat treatment method, and then proceeded by metallographic collection, tensile test, wear test and fatigue resistance test. The experimental results show that: with the rising of temperature, the grain size of weld joints is gradually refined, and the effect of temperature is greater than the effect of time on the microstructure. Moreover, the fatigue life increases with the increase of heat treatment temperature and time, and 380℃is at or near the required welding temperature of eliminating welding stress.

Key words:low temperature heat treatment; stainless steel; electric resistance welded; welded joints; microstructure

作者簡(jiǎn)介：李衛(wèi)東（1976-），男，工程師，主要從事金屬壓力容器材料、性能及技術(shù)監(jiān)督的研究工作，E-mail：tingzideshengyin@126.com.

收稿日期：2015－01－05

DOI：10.13264/j.cnki.ysjskx.2015.04.014

文章編號(hào)：1674-9669（2015）04-0066-04

中圖分類號(hào)：TG142.1；TF124.83

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A