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.武漢重型機床集團有限公司 湖北武漢 430000
某全不銹鋼結構特種非標承壓設備采用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力退火工藝來消除焊接殘余應力。NB/T 47015—2011《壓力容器焊接規(guī)程》中沒有關于奧氏體不銹鋼具體的去應力退火規(guī)范,且該設備工作環(huán)境及使用要求的特殊性,對零件的結構精度、尺寸穩(wěn)定性要求較高,因此必須進行焊后去應力退火。為此,需要對304LN焊接件的去應力退火工藝進行研究,為后續(xù)去應力退火工作提供理論支撐。
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)生熱應力,同時接頭處有金相組織轉(zhuǎn)變,因此焊接殘余應力既有相變應力也有熱應力。焊后熱處理消除殘余應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力隨材料屈服強度的降低而降低,達到焊后熱處理溫度后,殘余應力被削減到材料在此溫度的屈服強度以下;在保溫過程中由于高溫松弛殘余應力得到充分釋放,所以隨溫度的升高材料的屈服強度降低[1]。有研究表明,焊后消除殘余應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,也達不到充分消除殘余應力的效果。
前期對304LN焊接件去應力處理進行了500~750℃的退火工藝(按50℃進檔)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焊接件焊后去應力退火溫度限制在600℃以下。
通過開展304LN焊接接頭去應力退火試驗,要達到以下研究目的。
1)掌握304LN焊接接頭在不同焊后去應力退火溫度下,殘余應力變化規(guī)律。
2)掌握304LN焊接接頭在不同焊后去應力退火溫度下,抗拉強度變化規(guī)律。
3)掌握304LN焊接接頭在不同焊后去應力退火溫度下,硬度變化規(guī)律。
4)確定304LN焊接接頭去應力退火工藝曲線。
(1)去應力退火溫度擬定 根據(jù)前期的調(diào)研將熱處理溫度設定為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的升溫速度達到目標溫度,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。
因該設備中大部分零件焊縫厚度約為4 0 m m,故試驗件選取材料為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件進行分析。
圖1 焊接試件
(1)熱處理設備 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)及母材的殘余應力,參考GB/T 7704—2017《無損檢測 X射線應力測定方法》,每個區(qū)域測試3個點,取其平均值作為殘余應力的數(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力,其測試點分布如圖4所示。采用MG30P 應力測試系統(tǒng),如圖5所示。
圖3 應力測試取樣位置
圖4 應力測試點分布
圖5 MG30P應力測試系統(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《焊接接頭拉伸試驗方法》確定拉伸試樣尺寸(見圖7)。分別對未進行熱處理以及經(jīng)550℃、560℃、570℃、580℃、590℃、600℃熱處理后的焊接接頭進行拉伸試驗,試驗采用M-4100微機控制電子萬能試驗機(見圖8)。
圖6 拉伸試樣取樣位置
圖7 拉伸試樣
圖8 M-4100微機控制電子萬能試驗機
(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,每組試驗取1個樣品,每隔2mm測量一個點,載荷為1kg(9.8N),保壓時間為12s,設備型號為DHV-1000。
圖9 硬度試樣取樣位置
圖10 硬度試樣尺寸
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)的殘余應力,每個區(qū)域取3個點,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)的殘余應力,每個區(qū)域取3個點,分析時取其平均值。熱處理前后應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,應力測試結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力狀態(tài)存在拉應力和壓應力,其中550℃、560℃、570℃、580℃試樣的初始狀態(tài)為拉應力,590℃、600℃試樣為壓應力。從圖11中可看出,在570℃時拉應力消減程度最大,能達到92.04%;當初始焊接應力狀態(tài)為拉應力時,隨著溫度的升高,拉應力消減程度不斷增大;當初始焊接應力狀態(tài)為壓應力時,隨著溫度的升高,壓應力削減程度增大,但是相對拉應力的削減程度,壓應力的削減程度較小。主要是因為570℃時應力消減程度已經(jīng)達到了92.04%,消減了絕大部分的拉應力。
圖11 表面熱影響區(qū)熱處理前后應力狀態(tài)
圖14 截面焊縫區(qū)熱處理前后應力狀態(tài)
圖15 截面熱影響區(qū)熱處理前后應力狀態(tài)
圖16 截面母材區(qū)熱處理前后應力狀態(tài)
如圖12所示,表面母材區(qū)為試樣原始軋制后的表面,其初始應力狀態(tài)為壓應力,經(jīng)不同溫度退火處理后,在一定的誤差范圍內(nèi),壓應力較退火處理前有所升高,且隨著溫度的升高,壓應力升高程度呈現(xiàn)出不斷減小的趨勢。從母材應力值來看(見圖13),有部分應力值在退火處理后超過300MPa,根據(jù)表面分布著13~300MPa 不等的殘余壓應力有利于提高產(chǎn)品疲勞壽命理論[3],應對軋制態(tài)表面進行磨削處理,防止退火后應力值升高超過安全范圍。
圖12 表面焊縫母材區(qū)熱處理前后應力狀態(tài)
圖13 表面熱影響區(qū)、母材區(qū)熱處理前后應力削減程度
因為截面的加工方式為線切割加工后采用磨床進行磨削加工,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)的壓應力削減程度明顯高于截面整體削減程度,分別達到66.85%、95.34%;溫度對截面母材區(qū)的壓應力的影響不太明顯,壓應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不等的殘余壓應力,其作用不僅可抵消循環(huán)載荷中的部分應力,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力值和應力削減程度,較優(yōu)化的熱處理溫度為570℃。
分別對未進行熱處理焊接接頭、5 5 0 ℃、560℃、570℃、580℃、590℃、600℃熱處理后焊接接頭進行拉伸試驗,拉伸試樣如圖18所示,拉伸試驗數(shù)據(jù)見表2。
表2 拉伸試驗數(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,抗拉強度為595~615MPa,并且峰值抗拉強度出現(xiàn)在560℃退火處理后的樣品中,達到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,強塑積為工程中用于評價工件強度和塑性綜合性能的指標,指標越高,強度和塑性綜合性能越好,未處理狀態(tài)、560℃退火處理后、600℃退火處理后的強塑積均超過了30000MPa·%,均具有較好的強度和塑性綜合性能。
對未進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。
1)熱處理對殘余拉應力有較強的消減能力,隨著溫度的增加,拉應力消減程度增加,550~570℃已經(jīng)消減了絕大部分拉應力;熱處理對壓應力的消減能力較低。
2)拉伸斷裂區(qū)域均在母材區(qū),表明焊接接頭的強度高于母材??估瓘姸染鶠?95~615MPa,伸長率為42%~52%。當退火溫度為560℃時,其強度達到了614MPa,伸長率為49.45%,保持了較高的強塑積與較好的力學性能。
3)在不考慮材料力學性能的情況下,綜合考慮退火處理后應力值和應力削減程度,當退火溫度為570℃時,去應力效果最佳。